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Link to English version: On the fire safety engineering in structural concrete
Ein brennender Raum kann sich in Abhängigkeit seiner Grösse, Belüftung und Brandlast in wenigen Minuten auf über 1000°C erhitzen. Solch eine Brandbeanspruchung verursacht für Stahlbetontragwerke:
- ein differentielles Aufheizen des Bauteilquerschnitts, abhängig von dessen thermischen Materialeigenschaften,
- entsprechende Änderungen der mechanischen Materialeigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit) abhängig von der entsprechenden Temperaturverteilung im Querschnitt,
- eine erhöhte Tendenz zu explosiven Abplatzungen in bestimmten Fällen sowie
- Zwangsschnittgrössen und Lastumlagerungen bei statisch unbestimmten Systemen.
Das Verhalten von Stahlbetontragwerken unter Brandeinwirkung wird durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst, hauptsächlich die Brandlast, die Zusammensetzung des Betons und dessen Feuchtigkeit, Spannungen und Dehnungen statischen oder thermischen Ursprungs, die Geometrie und die konstruktive Durchbildung. Abhängig von der Brandeinwirkung, der verwendeten Materialien und des Tragwerks ergeben sich beispielsweise bei Stützen erhöhte Auslenkungen oder bei statisch unbestimmten Systemen veränderte interne und externe Spannungszustände. So waren beispielsweise erhöhte Stützenkopfauslenkungen der Hauptgrund für das Versagen einer Lagerhalle in Gent (1974) (s. Bild), während Kraftumlagerungen zur Innenstütze das Versagen der Einstellhalle in Gretzenbach (2004) (s. Bild) mitverursacht haben.
Oftmals ist es bei Schadensfällen, aber auch bei grossmasstäblichen (repräsentativen) Brandversuchen schwierig bis unmöglich, alle auftretenden Phänomene zu erklären. Bei Schadensfällen kann nach den Löscharbeiten nur mit grossen Unsicherheiten bestimmt werden, welcher Schaden wann aufgetreten ist. Ebenso können bei Brandversuchen nur die Temperatur, Verformungen und äussere Kräfte zuverlässig gemessen werden, um das lokale und globale Verhalten von Versuchskörpern zu diskutieren. Trotzdem konnte dank umfangreicher experimenteller Studien (ergänzt durch theoretische Überlegungen) zum Brandverhalten von Stahlbetontragwerken zwischen 1960 und 1990 (z.B. an der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Kordina) vergleichsweise einfache Tabellen, konstruktive Regeln und einfach anzuwendende Materialmodelle für Normbrandbedingungen hergeleitet werden. Damit wurde der Nachweis des Feuerwiderstands von Stahlbetontragwerken eine einfache Aufgabe – berechtigterweise, da sich Stahlbetontragwerke im Brandfall bei heute normalerweise verwendeten Querschnittsabmessungen und Bewehrungsüberdeckungen gutmütig verhalten. Das gutmütige Verhalten von Stahlbeton im Brandfall rührt vor allem daher, dass (i) sich Beton vergleichsweise langsam aufheizt und folglich die Bewehrung vor Wärme schützt, (ii) Betonquerschnitte im Vergleich zu Querschnitten anderer Baustoffe massiv sind und (iii) Stahlbeton nicht brennt und folglich selbst nicht zur Brandlast beiträgt. Entsprechend einfach ist der Brandwiderstand von Stahlbetonbauten in den meisten Fällen durch konzeptionelle Entscheide und schnelle Überprüfungen mithilfe von Tabellenwerken gewährleistet (nicht umsonst präsentiert die SIA 262 die wichtigsten Prinzipien zur Brandbemessung auf zwei kurzen Seiten).
Ein gutes Beispiel für das gutmütige Verhalten von Stahlbeton bei hohen Temperaturen ist der Brand des siebengeschossigen Parkhauses der Liverpool Echo Arena (Abmessungen: 70 m x 60 m) im Jahr 2017. Der Brand und die Brandlast in Liverpool waren in ihrem Ausmass beispiellos (bis zu 1400 Fahrzeuge brannten während mehrerer Stunden aus). Das Parkhaus bestand aus Stützen, Trägern, Treppenhauskernen und vorfabrizierten Rippenplatten. Die vorfabrizierten Rippenplatten wurden stark beschädigt resp. stürzten teilweise ganz ein, der Rest des Tragwerks blieb jedoch praktisch unbeschädigt (s. Bild, Referenz: Structural-Safety).
Für die Projektierung oder Überprüfung von Bauwerken mit grossem Schadens- resp. Personenrisiko (z.B. Spitäler, Hochhäuser, Tunnel) und von Bauteilen mit schlanken Abmessungen oder aus neuartigen Betonen sind allerdings Tabellen ungenügend oder gar nicht anwendbar. Um Projektierungsarbeiten für solche Tragwerke oder Bauteile gewissenhaft durchführen zu können, ist ein vertieftes Verständnis für das Brandverhalten von Stahlbetonbauten notwendig. Vor dem Hintergrund der Anstrengungen zur Klimaneutralität kann davon ausgegangen werden, dass über die Anwendung von Tabellen hinausgehende Studien in Zukunft gar vermehrt nötig sein werden, weil:
- der Einsatz alternativer Antriebe wie Lithium-Ionen-Batterien Brandkurven erzeugt, deren Konsequenzen auf Stahlbetontragwerke noch nicht breit studiert wurden (NB: die heutigen Tabellenwerke gelten nur für die Normbrandkurve),
- neue Wege zur materialschonenden Herstellung von Bauteilen und Tragwerken mit entsprechend weniger massiven Stahlbetonquerschnitten gesucht werden (müssen) – wie z.B. mit filigranen Rippentragwerken – sowie
- vermehrt neu entwickelte Betonarten (wie Recyclingbeton, dichte Betone, (ultra)hochfeste Betone etc.) eingesetzt werden (müssen), die eine höhere Wahrscheinlichkeit bzgl. explosivem Abplatzen aufweisen.
Gerade das explosive Abplatzen von vorfabriziertem Beton unter Brandbedingungen hat das Brandingenieurwesen in den letzten 10 Jahren auf den Bürotisch der/des projektierenden Schweizer Bauingenieurin/Bauingenieurs gebracht – und so auch auf meinen Bürotisch beim Start meiner wissenschaftlichen Arbeit in der Gruppe von Prof. Walter Kaufmann an der ETH Zürich. Nach anfänglichen Arbeiten zum explosiven Abplatzen mit der Idee, die Grundlagen für die Korrigenda C1 der SIA 262 im Jahr 2017 zu erweitern, konnten wir in den letzten vier Jahren vor allem im Rahmen der Revisionsarbeiten für die EN 1992-1-2 das Brandingenieurwissen in unserer Gruppe kontinuierlich ausbauen.
Mit dem Wissen um die Relevanz des Brandingenieurwesens unterrichten wir dieses im Stahlbetonbau jedes Jahr im Rahmen der Vorlesung «Advanced Structural Concrete» (Masterstudiengang Bauingenieurwesen der ETH Zürich) und neu auch im Rahmen des MAS-Lehrgangs Fire Safety Engineering (eingeführt und organisiert durch die Professur Holzbau der ETH Zürich). Wir stellen das Material- und Tragwerksverhalten unter Brandbedingungen vor und präsentieren die Anwendung, Stärken und Grenzen der in den Normen verfügbaren Nachweisverfahren. Basierend auf diesem Wissen fördern wir die Fähigkeit, die Plausibilität der mit allgemeinen Berechnungsverfahren bestimmten Ergebnisse zu überprüfen. Darüber hinaus geben wir einen Überblick zur Überprüfung der Brandsicherheit bestehender Bauwerke. Nicht zuletzt wollen wir das Verständnis für die der Norm zugrundeliegenden Annahmen vermitteln, damit zukünftige projektierende Bauingenieure*innen die von der Norm nicht abgedeckten Problemstellungen erkennen.
Patrick Bischof
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