BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz 1 Prof. Dr.-Ing. S. Anders Dipl.-Ing. D. Toris vorbeugender baulicher & anlagentechnischer ___________________________________________ BRANDSCHUTZ ___________________________________________
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
1Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
vorbeugender baulicher & anlagentechnischer___________________________________________
BRANDSCHUTZ___________________________________________
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
2Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Rechtliche Grundlagen: Schutzziele§3 (1)„Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zu ändernund instand zu halten, dass die öffentliche Sicherheit und Ordnung, insbesondere Leben, Gesundheit und die natürlichen Lebensgrundlagen, nicht gefährdet werden. [...]“
§14„Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zuändern und instand zu halten, dass der Entstehung einesBrandes und der Ausbreitung von Feuer und Rauch vor-gebeugt wird und bei einem Brand die Rettung von Menschen und Tieren sowie wirksame Löschmaßnahmenmöglich sind“
Musterbauordnung 2002
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3Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Rechtliche Grundlagen: Anforderungen
allgemeine Schutzziele
• Leben
• Gesundheit
• natürliche Lebensgrundlagen
sichern!
funktionale Anforderungen
• Brandentstehung
• Brandausbreitung
verhindern!
• Flucht und Rettung
• Brandbekämpfung
ermöglichen!
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4Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Schutzziel funktionaleAnforderung
Leistungskriterium
Leben und Gesundheit von Menschen
Nutzbarkeit der Fluchtwege
Mindesthöhe der raucharmen Schichtvon 2,5 m
Verhinderung der Brandausbreitung
Feuerwiderstandsfähigkeit der BauteileF90
Wofür? Wie? Worüber?
Rechtliche Grundlagen: materielle Vorgaben
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5Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Formen der materiellen VorgabePrescriptiv: Geometrie, Baustoff, Konstruktion
z.B.: Betonüberdeckung > 5 mm
Bewehrung
Beton
Überdeckung
Leistungsbasiert: Eigenschaften, Auswirkung
z.B.: die Betonüberdeckung wird sogewählt, dass bei einem Branddie Bewehrungstemperatur unter500 °C bleibt!
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6Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Formen der materiellen Vorgabe
LeistungsbasiertPrescriptiv
• fehlende Transparenz
• hoher Restriktionsgrad
• abschliessender Charakter
• hoher juristischer Schutz
• hohe Eigenverantwortung
• objektgebunden
• Prinzip der Angemessenheit
• Kompettenz - Wettbewerb
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7Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baulicher Brandschutz
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8Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
vergleichenderNachweis der Brandsicherheit
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9Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
materielle Vorgaben: prescriptiv
DIN
410
2 Te
il 4
(bei
spie
lhaf
t)
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10Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
materielle Vorgaben: prescriptiv
DIN 4102 Teil 4 (beispielhaft)
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11Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
LeistungsbasierterNachweis der Brandsicherheit
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12Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
materielle Vorgaben: leistungsbasiert§3 Allgemeine Anforderungen
(1) […] Die der Wahrung dieser Belange dienenden allgemein anerkannten Regeln der Technik sind zu beachten. Von diesen Regeln kann abgewichen werden,wenn eine andere Lösung in gleicher Weise die allgemeinen Anforderungendes Satzes 1 erfüllt.
von prescriptiven materiellen Vorgaben, diein anerkannten Regeln der Technik gemachtwerden, kann abgewichen werden wenn die Brandsicherheit dabei nicht abgemindert wird!
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13Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
materielle Vorgaben: leistungsbasiertWie kann festgestellt werden, ob die Brandsicherheitmit alternativen Maßnahmen abgemindert wird oder nicht?
In dem die Brandsicherheit quantifiziert wird!
• Hinterfragung der Zielvorstellung einer oder mehrerer prescriptiver materieller Vorgaben
• Formulierung der zugeordneten funktionalen Anforderung
• Auswahl der alternativen, brandschutztechnischen Maß-nahme und Bestimmung eines adequaten Leistungs-kriteriums
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14Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baustoff, Bauteil
Objekt
Schutzziel(e)
Brandschutz
Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.
Material,Geometrie,stat. System
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Auswirkung (Effect)Ed
funkt. Anforderung(e)
Leistungskriterium
Widerstand (Resistance)Rd
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15Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baustoff, Bauteil
Objekt
Schutzziel(e)
Brandschutz
Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Auswirkung (Effect)Ed
funkt. Anforderung(e)
Leistungskriterium
Widerstand (Resistance)Rd
Material,Geometrie,stat. System
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
16Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
materielle Vorgaben: leistungsbasiertBeispielhaft: Feuerwiderstandsklasse
(4) Bei Decken eingeschossiger Gebäude werden keine Anforderungen an die Feuerwiderstandsklasse gestellt, wenn sich über der Decke nur das Dach
oder ein nicht benutzbarer Dachraum befindet.
Zielvorstellung
Verhinderung der Brandausbreitung
Ermöglichung der Flucht
§34 Decken, (4) Bauo NRW
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17Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
materielle Vorgaben: leistungsbasiert
Ermöglichung der Flucht
Begehbarkeit
Tragfähigkeit
Beispielhaft: Feuerwiderstandsklasse
Leistungskriterium
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
18Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
materielle Vorgaben: leistungsbasiertBeispielhaft: Feuerwiderstandsklasse
Verhinderung der Brandausbreitung
Raumabschluss
keine Durchlässigkeitvon Wärme und Rauch
Leistungskriterium
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19Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Baustoffe
Quelle: DIN 4102 - 1
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20Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Baustoffe
Quelle: DIN 4102 - 1
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
21Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Baustoffe
A1
A2
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22Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Baustoffe
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
23Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Baustoffe
B1„schwer entflammbar“
Quelle: DIN 4102 - 1
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24Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Baustoffe
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
25Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Baustoffe
Quelle: DIN 4102 - 1
Kantenbeflammung
Flächenbeflammung
B2„normalentflammbar“
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26Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: BaustoffeB1 vs. B2
Zündquelle Papierkorbin Raumecke
Streichholzflamme
Dauer derBeflammung
10 min 15 s
Leistungs-kriterium
• Brennt nur bei äußererFlammeneinwirkung
• Eigenbeitrag zur Brand-ausbreitung bleibtbegrenzt
• Selbstständiges Weiter-brennen nach Entfernungder äußeren Flammebleibt zeitlich begrenzt(sonst B3, „leichtentflammbar“)
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27Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Beispielhafte Zuordnung von Baustoffen„nicht brennbar“ A1
• Sand, Kies, Lehm, Ton• Zement, Kalk, Anhydrit• Beton, Mauerwerk• Glas• Metalle (nicht fein verteilt!)mit Ausnahme von Alkali-und Erdalkalimetalle
„nicht brennbar“ A2
• Gipskartonplattenmit geschlossenerOberfläche
„schwer entflammbar“ B1
• Holzwolleleichtbauplatten• Mineralfaser – Mehrschicht – Leicht-bauplatten (mit Holzwolleschicht)
• Gipskartonplatten mit gelochter Ober-fläche
• Kunstharzputze• PVC – Rohre• Fußboden – Eichenparkett
„normal entflammbar“ B2
• Holz und Holzwerkstoffe mit niedrigerDichte
• PVC – Rohre mit einer sehr kleinenSchichtdicke
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28Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)
• Funktion• Dauer des Funktionserhaltes
bei Brandbeanspruchung• Brandverhalten der wesentlichen Bestandteile
F30-A, T60, G90,...
Funktion
Dauer in MinutenBrandverhaltender Baustoffe
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29Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)Funktionen:
• Bauteile F
• Sonderbauteilenichttragende Wände WTüren, Tore, Klappen TRohre und Formstücke LBrandschutzklappen KKabelabschottungen S
Dauer:
• Feuerhemmend 30• Hochfeuerhemmend 60• Feuerbeständig 90
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30Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)
F vs. W
G G
P
F W
kein Raumabschluss vs. Raumabschluss
Wärmeq
Wattebausch – Test zur Prüfungder Raumabschlussfunktion
Raumabschlusse = Verhinderung des Durchtritts von Flammen und Wärme
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
31Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)
Que
lle: S
chne
ider
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n, L
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a, B
aulic
her B
rand
schu
tz
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32Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)F vs. T
Quelle: Kemper nach VdS Schadenverhütung, Köln• Insofern der Abschluss, betriebsbedingt, ständig geöffnet bleiben muss, ist sicher zu stellendass im Brandfall der Durchtritt von Flammen und Wärme (Wattebausch) verhindert wird
• Die automatische Schließvorrichtung wird nur in dem Fall aktiviert, in dem der Brandherd (allgm. Flammen) in der Nähe des Abschlusses auftreten
nicht Rauchmelder!
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33Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)F vs. G
• Als F-Verglasungen gelten lichtdurchlässige Bauteile, die dazu bestimmt sind, entsprechend ihrer Feuerwiderstandsdauer nicht nur die Ausbreitung von Feuer und Rauch sondern auch den Durchtritt von Wärmestrahlung zu verhindern. Die vom Feuer abgekehrte Oberfläche darf sich um nicht mehr als 140K (Mittelwert) bzw. 180K (größter Einzelwert) erwärmen. Ein angehaltener Wattebausch darf nicht zünden oder glimmen. F-Verglasungen werden im Brandfall undurchsichtig.
• Als G-Verglasungen gelten lichtdurchlässige Bauteile, die dazu bestimmt sind, entsprechend ihrer Feuerwiderstandsdauer nur die Ausbreitung von Feuer oder Rauch zu verhindern. Der Durchtritt der Wärmestrahlung wird nicht verhindert. In der Regel bleiben G-Verglasungen im Brandfall durchsichtig. Nach bauauf-sichtlichen Vorschriften dürfen G-Verglasungen nur an Stellen eingebaut werden, an denen wegen des Brandschutzes keine Bedenken bestehen. Über die Zulässigkeit der Verwendung der G-Verglasungen entscheidet die örtliche Bauaufsichtsbehörde in jedem Einzelfall.
Quelle: RFE GmbH
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34Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)F vs. Brandwand
Quelle: www.elkage.de, Kunze Ingenieurbüro für Bautechnik
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35Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)
Que
lle: K
empe
r, Vo
rbeu
gend
er B
rand
schu
tz
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
36Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (D)
Que
lle: B
auen
mit
Stah
l, Br
ands
chut
z-Ar
beits
hilfe
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37Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (EU)
Que
lle: D
ehn,
Kön
ig, M
arza
hn, K
onst
rukt
ions
wer
ksto
ffe im
Bau
wes
en
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
38Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (EU)
Que
lle: F
röhl
ich,
Kna
pp, B
rand
schu
tzpr
axis
in d
er G
ebäu
dete
chni
k
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
39Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Leistungskriterien: Bauteile (EU)
Que
lle: F
röhl
ich,
Kna
pp, B
rand
schu
tzpr
axis
in d
er G
ebäu
dete
chni
k
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
40Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baustoff, Bauteil
Objekt
Schutzziel(e)
Brandschutz
Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.
Material,Geometrie,stat. System
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Auswirkung (Effect)Ed
funkt. Anforderung(e)
Leistungskriterium
Widerstand (Resistance)Rd
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
41Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baustoff, Bauteil
Objekt
Schutzziel(e)
Brandschutz
Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Auswirkung (Effect)Ed
funkt. Anforderung(e)
Leistungskriterium
Widerstand (Resistance)Rd
Material,Geometrie,stat. System
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
42Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
genormte Temperaturzeitkurven
Que
lle: P
rom
at–
Bran
dsch
utz
für b
eson
dere
Anw
endu
ngsb
erei
che
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
43Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
genormte Temperaturzeitkurven
Einheitstemperaturzeitkurve (ETK)
Wohn- und Bürobrände, Hochbau allgemein
abgeminderte ETK
nichttragende, raumabschließende Außenbauteile
Hydrocarbon – Kurve
Öl- und Kunststoffbrände
RABT/ZTV-ING-Tunnelkurve
Richtlinie über die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln(RABT)
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
44Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einheitstemperaturzeitkurve
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Tem
pera
tura
nstie
g Δ
T [K
]
Zeit [min]
1t8345 ΔT(t)
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
45Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
EinheitstemperaturzeitkurveVorteile
•Objektübergreifende Vergleichbarkeit vonBauteilen (z.B. Feuerwiderstandsklassen)•In Prüfeinrichtungen reproduzierbareVersuchsrandbedingungen
Nachteile
•Keine objektbezogene Reflektierung derzu erwartenden Belastung (=Einwirkung)•Unrealistischer Anstieg über die gesamteBranddauer
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46Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einheitstemperaturzeitkurve vs Real - Vollbrandversuch
Que
lle: B
RE,
Car
ding
ton
Fire
Test
s 20
03
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47Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einheitstemperaturzeitkurve vs Real - Vollbrandversuch
520 °C
1065 °C1005 °C
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Branddauer [min]
Rau
mte
mpe
ratu
r [°C
]
VollbrandversuchCardington 2003
ETK
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48Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einflussfaktoren auf den Vollbrandverlauf
• Ventilation
• Brandlastbelegung
• Brandlastart
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49Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einflussfaktoren auf den Vollbrandverlauf
Que
lle: B
lum
e na
ch In
gber
g
• Maximaltemperatur
• Dauer des Vollbrandes
ÄquivalenteBranddauer
täTmax
Vollbranddauer
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50Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einflussfaktoren: Ventilation
Quelle: Blume, Dissert. TU Braunschweig, 2002
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
51Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einflussfaktoren: Brandlastbelegung
Que
lle: B
lum
e na
ch In
gber
g
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
52Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einflussfaktoren: Brandlastart
Quelle: http://www.fire.nist.gov/bfrlpubs/fire03/PDF/f03001.pdf
Que
lle: R
ein
& C
o.
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
53Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Parametrisierte Temperaturzeitkurve
Ventilation
Brandlastbelegung
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
54Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Szenario 0Szenario 1Szenario 2
Parametrisierte Temperaturzeitkurve
Szenario 0
Szenario 2:mehr Brandgutgleiche Öffnungsfläche
Szenario 1:gleiches Brandgutmehr Öffnungsfläche
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55Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Brandsimulationsmodelle
Feldmodelle
Zonenmodelle
•´Bestimmung der Raumtemperaturbei vorgegebenem Brandverlauf
• Bestimmung des Brandverlaufsund der Raumtemperatur
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
56Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Temperaturen im Bauteil
Betonquerschnitt – 3 seitig ETK - beflammt
Que
lle: f
ib, H
eft 3
8
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
57Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Temperaturen im Bauteil
Verbundstütze – 4 seitig ETK - beflammt
Verampfung des Porenwassers
Eckeneffekt
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
58Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Temperaturen im Bauteil
Que
lle: S
ilva
300VA50
Temperaturentwicklung – ungeschütztes Stahlprofilfür verschiedene Massigkeiten (Profilfaktoren)
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
59Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Passiver Brandschutz Stahl
Anstrich / Aufsprühung Einkapselung Einbetonierung
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
60Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Passiver Brandschutz Stahl
Quelle: Klingsch, Der Prüfingenieur Heft 8
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
61Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Normierte Temperaturprofilez [mm]
T [°C]400
(R90) e1,92e1,95951(R60) e1,48e3,47840
fp
fp
(R90) e5,77e3,42874(R60) e7,01e4,05739
fp
fp
TpTfTw,u
Tp:
Tf:
70Tf Tw,u:
fpuw, ee-zgTT(z)
g
400eegTz
R90 für mmC 3,9g
R60 für mmC 2,8g
fpuw,400
z400
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
62Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Temperaturberechnung für Stahlprofile
rflächeBauteilobe der an s Wärmeflusradiativer :qrflächeBauteilobe der an s Wärmeflusrkonvektive :q
Stahl von Dichte :ρStahl von zität Wärmekapaspez. :c
Länge m je Volumen:VLänge m je Oberfläche beflammte :A
urtstemperatQuerschnit mittlere :TVρc
Aqqdt
dT
r
c
p
m
m
p
mrc
m
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
63Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Temperaturberechnung für Stahlprofile
tEmissivitä :εKm
W Konstante Boltzmann-Stefan :σ
TTεσq
K peraturBauteiltem mittlere :TK emperaturBrandraumt :T
KmW izientgangskoeff Wärmeüber:α
TTαq
42
4m
4fir
m
fi
2
mfic
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
64Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: Temperaturberechnung für Stahlprofile
41nm
41nfi
1n-r
1nm
1nfi
1n-c
1nn
p
m1n-r
1n-c
1nm
nm
1nn
p
m1n-r
1n-c
1nm
nm
p
m1n-r
1n-c1nn
1nm
nmerungDiskretisi
p
mrc
m
TTεσq und TTαq
ttVρc
AqqTT
ttVρc
AqqTT
VρcAqq
ttTT
VρcAqq
dtdT
• kleine Zeitschritte erforderlich (explizites Verfahren)• Profile geringer Massigkeit mit annähernd gleich-mäßiger Temperaturverteilung über den Querschnitt
• geeignet für ETK, parametrisierte Temperaturzeitkurvensimulierte Naturbrandtemperaturen
• mit Tabellenkalkulationsprogrammen (z.B. Excel) durchführbar
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
65Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: computergestützte Temperaturfeldberechnung
rqin
ANSYS Thermal
xT
NIST FDS
)(tQ
)(xq
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
66Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: computergestützte Temperaturfeldberechnung
• Wahl der Ausgabegrößen
• Explizite Vorgabe des Brandverlaufs
Q
t
&SURF ID='burner',HRRPUA=683.4, RAMP_Q='HRR',COLOR='WHITE' /
&RAMP ID='HRR',T=769.6,F=0.8927 /
.
.
.
&BNDF QUANTITY=‘GAUGE HEAT FLUX' /
bruttoeinq ,
ausq
nettoeinq , )( 4 )()(,, 4RefTTqq ANSYSOberflächeFDSbruttoeinnettoein
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
67Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Einwirkung: computergestützte TemperaturfeldberechnungDeckenunterseite & Stahlträger:
Brutto – Wärmestrom nach t = 10 minFDS -> ANSYS
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
68Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baustoff, Bauteil
Objekt
Schutzziel(e)
Brandschutz
Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.
Material,Geometrie,stat. System
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Auswirkung (Effect)Ed
funkt. Anforderung(e)
Leistungskriterium
Widerstand (Resistance)Rd
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
69Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baustoff, Bauteil
Objekt
Schutzziel(e)
Brandschutz
Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Auswirkung (Effect)Ed
funkt. Anforderung(e)
Leistungskriterium
Widerstand (Resistance)Rd
Material,Geometrie,stat. System
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
70Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Auswirkung: Hochtemperaturverhalten
• Aufweichung (E-Modul, εgrenz)
• Festigkeitsminderung
• Zwang (Wärmeausdehnung)
• Viskosität (Kriechen, Relaxation)
Materialbedingt
Systembedingt
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
71Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Auswirkung: AufweichungT0
Tfi
EfiE0
εgr,0 εgr,fi
σ
ε
IE96lFΔl0
30
0
IE96lFΔlfi
30
0
0fi ΔlΔl
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 200 400 600 800
Bez
ogen
er E
-Mod
ul
Temperatur
Beton (Sekantenmodul)
Stahl
1
1.5
2
2.5
0 200 400 600 800 1000
Bez
ogen
e G
renz
dehn
ung
Temperatur
BetonBruchdehnung
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
72Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Auswirkung: FestigkeitsminderungT0
Tfi
σ
ε
βu,0
βu,fi
uo
unten zIMσ
u
untenσ β
σk
fiσ,σ,0fiu,
unten
u,0
untenfiu,u,0 kkβ
σβ
σββ
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 200 400 600 800
Bez
ogen
e Fe
stig
keit
Temperatur
0
0.5
1
0 400 800
Temperatur
Ausn
utzu
ngsg
rad
0,11 bei T = 20°C
1,0 bei T = 800°C
Stahl
Beton (Sekantenmodul)
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
73Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Auswirkung: Zwang
Que
lle: H
egge
r, Be
rtram
, Der
Prü
finge
nieu
r 200
9
möglicher Versagensmechanismus WTC
Que
lle: N
IST
Auk
luΔTαEσ mf
0
mTBauteil
σBauteil größer mit:
• größerem E, αT
• größerem kf bzw. kleinerem um
• größerer Bauteillänge l0System
Material
um
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
74Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Auswirkung: Viskosität
Quelle: Dwaikat, Kodur
Kriecheinfluss
• Relaxation führt zumAbbau von Zwangs-spannungen
• Kriechen verstärkt dieAufweichung desSystems
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
75Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Baustoff, Bauteil
Objekt
Schutzziel(e)
Brandschutz
Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.
Material,Geometrie,stat. System
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Auswirkung (Effect)Ed
funkt. Anforderung(e)
Leistungskriterium
Widerstand (Resistance)Rd
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
76Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur
Einwirkung: Last (eingeprägt)
Auswirkung: Spannung (abhängig von stat. System, Bauteilgeo-metrie, Material)
Widerstand: Festigkeit (abhängig vom Material und dem Tem-peraturfeld)
kritische Temperatur
der Wert für den die Festigkeit des betrachtetenMaterials, dem Wert der beim Grenzzustand derTragfähigkeit anzunehmenden Spannung im Bau-teil entspricht (Ausnutzungsgrad = 1,0)!
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
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Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur
Bsp.: betrachtet wird der Querschnitt einerStahlstütze, der im Grenzzustand der Tragfähigkeit eine Spannung von σ = 86 N/mm² aufweist. Bestimmen Siedie kritische Temperatur des Quer-schnitts, wenn seine Zugfestigkeitbei T = 20 °C, 360 N/mm² beträgt!
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
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Antw.: bei T = 20 °C, beträgt der Ausnutzungs-grad
Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur
0,2436086
βσk
C20T
C20TC20T
für die kritische Temperatur Tfi gilt
C20TTTTT
C20TTT σβ1,0β
σkfi
fi
fi
d.h. die kritische Temperatur ist derje-nige Wert, bei dem der betrachtete Stahlnur noch eine Festigkeit von 86 N/mm²aufweist!
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
79Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
00.05
0.10.15
0.20.25
0.30.35
0.40.45
0.50.55
0.60.65
0.70.75
0.80.85
0.90.95
0 200 400 600 800
Bez
ogen
e Fe
stig
keit
Temperatur
0,2436086
ββ
k :Festigkeit bezogeneC20T
TTTT
fifi
700
Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
80Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Nachweisführung: allgemeines Format
Material,Geometrie,stat. System
Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)
Leistungskriterium
Eεσσσσ KriechenRelaxationZwangStatik (T)fu
Aufweichung, Zwang, Viskosität
Tragfähigkeit (tragendes Bauteil)
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
81Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Typische Versagensformen (Leistungskriterien)
Verwerfung infolge Zwang
Quelle: Tapsir
BetonabplatzungenFreilegung der Bewehrung
Quelle: Bailey
Quelle: Klingsch, Der Prüfingenieur 1996
Lokales Beulen
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
82Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Anlagentechnischer Brandschutz
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
83Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Funktionale Anforderungen
• Brandmeldung
• Raumabschluss
• Rauch- und Wärmeabzug
• Brandbekämpfung
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
84Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
BrandmeldungBrandmelder
selbsttätig auslösend handauslösend
Rauchmelder Wärmemelder
Ionisations-rauchmelder
optischeRauchmelder
Wärmediffe-rentialmelder
Wärmemaxi-malmelder
Ansprechempfindlichkeit
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
85Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
BrandmeldungAuslegungskriterien
Ziel der Auslösung
Überwachungsumfang(DIN 14675)
Nutzungs- bzw. betriebs-bedingte Einschränkungen
Ziele der Auslösung
• rasche Flucht der Nutzer(Rauchmelder)
• Verhinderung der Brand-ausbreitung(Wärmemelder)
• Brandbekämpfung(Rauch- oder Wärmemelder)
Nutzungs- bzw. betriebsbedingteEinschränkungen
• Rauch enthält Rußpartikel(optische Rauchmelder)
• Rauch enthält Aerosole oder die Umgebungsluftist staubpartikelbeladen(Ionisationsmelder)
• betriebsbedingt hohe Umge-bungstemperaturen(Wärmedifferentialmelder)
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
86Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Raumabschluss
Quelle: www.colt-info.de
Quelle: Kemper nach VdS Schadenverhütung, Köln
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
87Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Rauch- und Wärmeabzug
Quelle: www.fvlr.de
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
88Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Rauchabzug
NR
A
Quelle: FVLR – Heft 12
MR
A
Quelle: www.rwablog.de
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
89Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Rauchabzugabm
RauchT
MRA NRA
qualitativ!
mMassenstroraftAuftriebsk
ρ T
mMassenstroraftAuftriebsk
ρ Teichung)Zustandsgl (aus
ρ1~T
uρ~ mMassenstro :MRAρρg~ kraft Auftriebs:NRA
RauchRauch
RauchRauch
RauchRauch
VentilatorRauch
Rauch
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
90Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
TTRauch
WindAußendruckAuftrieb
Rauchabzug AuftrieblsAbsaugimpu
TTRauch
TTRauch
WindAußendruckAuftrieb
AuftrieblsAbsaugimpu
TTRauch
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
91Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2
• Der Grundriss muss ggf. durch Rauchschürzen so unterteilt werden,das kein Rauchabschnitt eine Fläche > 1600 m² aufweist
• Die Höhe muss mindestens 3,0 m betragen
• Einflussfaktoren: Raumhöhe, Vorhandensein von Rauchmelder und/oderSprinkler, Einsatzbedingungen für die Feuerwehr, Brandausbreitungs-geschwindigkeit
Quelle: Hegger, 2003
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
92Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2tfi,d = tdet + tFWtfi,d : Brandentwicklungsdauertdet : Dauer bis zur BrandmeldungtFW : Dauer bis zur Ankunft der Löschkräfte
Rauchmelder kein Rauchmeldertdet 0 min 10 min
Werkfeurwehr üblich ungünstig bes. ungünstigtFW 5 min 10 min 15 min20 min
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
93Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
94Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2Bsp.: Rauchmelder vorhanden, H = 4,0 m, übliche Einsatzbedingungen
für die Feuerwehr, mittlere Brandausbreitungsgeschwindigkeit,angestrebte Höhe der raucharmen Schicht 2,5 m
Brandentwicklungsdauer (10 min)
mittlere BrandausbreitungsgeschwindigkeitBemessungsgruppe 3
Bemessungsgruppe
Raumhöhe
Angestrebte Höhe der raucharm. Schicht
Aw = 4,7 m²
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
95Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Wärmeabzug
Quelle: FVLR – Heft 19
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
96Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Brandbekämpfung
• Handfeuerlöscher• Sprinkler, Sprühnebel,...• Feuerwehr
VFdB Leitfaden
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
97Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Brandbekämpfung
• Kühlung der Rauchgase
• Verzögerung der Brandausbreitung
• Verhinderung der BrandausbreitungQ
uelle
: ww
w.s
i-mag
azin
.de
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
98Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Brandbekämpfung
Que
lle: S
chel
l, Vd
S Sc
hade
nver
hütu
ng
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
99Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Brandbekämpfung
Quelle: EuroSprinkler
BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz
100Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris
Brandbekämpfung