Bewertung und Ertüchtigung des Feuerwiderstands älterer Stahlbauweisen

Der Beitrag stellt Grundlagen für die brandschutztechnische Bewertung historischer Stahlkonstruktionen zusammen und erläutert die Anwendung allgemeiner Rechenverfahren der Eurocodes anhand von Praxisbeispielen.

Werden tragende und aussteifende Bauteile von Gebäuden aus Stahl errichtet oder ist bei bestehenden Gebäuden die Tragkonstruktion entsprechend hergestellt, führt der übliche Weg, den bauordnungsrechtlich erforderlichen Feuerwiderstand der Konstruktion zu gewährleisten, häufig über einen brandschutztechnischen Schutz. Dafür existieren verschiedene Möglichkeiten, z. B. über ein Bekleidungssystem aus Gipskarton, Calciumsilikat oder Faserzement bzw. verschiedene Putzsysteme. Alternativ können auch Anstriche mit intumeszierenden Beschichtungen eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass das beschichtete Bauteil weiterhin sichtbar bleibt.

Die verschiedenen Schutzmaßnahmen sind nach der Einheitstemperaturzeitkurve (ETK) [1] geprüft, sodass die verschiedenen bauordnungsrechtlich erforderlichen Feuerwiderstandsfähigkeiten (z. B. feuerhemmend, feuerbeständig) [2] mit dem jeweiligen Aufbau ohne weiteren bzw. mit geringem planerischem und rechnerischem Aufwand erfüllt werden können. Die Funktionsweise aller Schutzmaßnahmen ist ähnlich. Sie verhindern bzw. verzögern die Erwärmung des zu schützenden Bauteils auf eine kritische Temperatur, ab der sich die mechanischen Werkstoffeigenschaften zu stark reduzieren. Alle Schutzmaßnahmen werden so eingestellt, dass die Erwärmung des zu schützenden Bauteils i. d. R. 500 °C nicht übersteigt. Lediglich bei stabilitätsgefährdeten Bauteilen liegt diese Temperatur niedriger.

Nachweis der Standsicherheit im Brandfall

Entfällt bei Gebäuden der Bestandsschutz, z. B. bei Umnutzung oder Änderungen des Tragsystems, muss auch bei bestehenden Konstruktionen der Feuerwiderstand nach den jeweils gültigen bauordnungsrechtlichen Vorschriften und technischen Regeln nachgewiesen werden. Je nach Gebäude und Konstruktion kann jedoch der Fall eintreten, dass aus technischen Gründen eine Ertüchtigung auf den bauordnungsrechtlich erforderlichen Feuerwiderstand nicht möglich ist. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, den Nachweis der Standsicherheit im Brandfall für die Stahlkonstruktion mit den vereinfachten und allgemeinen Rechenverfahren des Eurocode [3] zu führen, um weitere Reserven im Bauteil bzw. der Konstruktion zu aktivieren oder realitätsnähere Brandszenarien zu berücksichtigen.

Der Baustoff Stahl weist wie alle metallischen Werkstoffe temperaturabhängige Werkstoffeigenschaften auf, die zu ungünstigem Verhalten im Brandfall führen können. Aufgrund der ausgeprägten Wärmeleitfähigkeit bzw. der filigranen Bauweise kommt es zu einer schnellen Durchwärmung und demzufolge temperaturabhängig zu einem Verlust der Steifigkeit und der Festigkeit des erwärmten Bauteils.

Die Rechenverfahren berücksichtigen die konkreten temperaturabhängigen Materialeigenschaften und weisen über den jeweils erforderlichen Zeitraum nach, dass das durch die erhöhte Temperatur beanspruchte Bauteil bis zum Ende der Beanspruchung standsicher ist.

Dabei ist zu beachten, dass sich die Zusammensetzung von Baustahl über die Zeit verändert hat, bzw. wurden, historisch bedingt, in bestehenden Gebäuden Materialien wie Gussstahl verwendet, deren Materialeigenschaften und -verhalten sich von üblichem Baustahl unterscheiden. Sollen historische Konstruktionen rechnerisch nachgewiesen werden, ist die Kenntnis der jeweils richtigen Materialparameter unerlässlich. Dies kann eine Probenentnahme und Versuche bei erhöhten Temperaturen erforderlich machen.

Liegt der Berechnung die Beanspruchung nach ETK zugrunde, ist mit dem Nachweis die Erreichung des bauordnungsrechtlich erforderlichen Feuerwiderstands, z. B. R30 (feuerhemmend) oder R90 (feuerbeständig), direkt nachgewiesen. Speziell bei Bestandsgebäuden und/oder filigranen Konstruktionen kann es jedoch erforderlich werden, weitere Reserven in der Bemessung zu berücksichtigen. Bei der Naturbrandbemessung wird nicht die ETK als Beanspruchungstemperatur herangezogen, sondern eine repräsentative Temperaturkurve in Abhängigkeit von der Brandlast, der Nutzung und den Ventilationsverhältnissen hergeleitet und im Rechenverfahren zugrunde gelegt. Die Anwendung einer Naturbrandkurve führt aufgrund der Differenz gegenüber der nominellen Temperaturzeitkurve zu einer bauordnungsrechtlichen Abweichung, die durch die Bauaufsichtsbehörde oder den Prüfingenieur für Brandschutz zu genehmigen ist. Auch ist zu berücksichtigen, dass die Nutzung, die der Herleitung der Temperaturzeitkurve zugrunde gelegen hat, bindend ist und ohne einen neuen entsprechenden Nachweis nicht geändert werden kann. Dies kann gegebenenfalls eine Nutzungseinschränkung bedeuten.

Im Folgenden werden verschiedene Praxisbeispiele für die Anwendung der beschriebenen Verfahren gegeben.

Nachweis einer ungeschützten Stahlkonstruktion unter ETK-Beanspruchung

In diesem Beispiel wurde in einem als Versammlungsstätte genutzten historischen Gebäude eine Empore errichtet. Aus bauordnungsrechtlicher Sicht wurde eine feuerhemmende Anforderung (R30) an die tragenden und aussteifenden Bauteile der Empore gestellt. Die aus Stahl bestehenden Stützen sollten in jedem Fall sichtbar sein, womit eine Bekleidung als Schutzmaßnahme ausschied. Aus optischen Gründen kam je Stütze eine geschweißte Konstruktion aus je vier L-Profilen mit einer Wandstärke von 20 mm zum Einsatz (Abb. 2).

Aufgrund der Massigkeit der Stützen sollte der Nachweis der Standsicherheit im Brandfall für eine ungeschützte Ausführung erfolgen. Eine bauordnungsrechtliche Abweichung war nicht vorgesehen, sodass als Brandbeanspruchung die ETK anzusetzen war.

Für die Berechnung der Bauteilerwärmung sieht der maßgebliche Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-2 [3]) i. V. m. Eurocode 1 (DIN EN 1991-1-2 [4]) ein vereinfachtes Verfahren zur Berechnung der Bauteilerwärmung vor. Die Ergebnisse der Berechnung zeigt Abb. 3. Es wird deutlich, dass sich die Stütze aufgrund der massigen Ausführung des Querschnitts nur verzögert erwärmt. Die Beanspruchungstemperatur (ETK) nach 30 Minuten beträgt 842 °C, während sich der Querschnitt zu diesem Nachweiszeitpunkt auf nur 768,5 °C erwärmt.

Der Nachweis der Standsicherheit bei erhöhter Temperatur kann nach Eurocode über vereinfachte Nachweisverfahren auf Temperatur- oder Tragfähigkeitsebene vorgenommen werden. Beim Nachweis auf Temperaturebene wird nachgewiesen, dass sich das Bauteil im Nachweiszeitraum nicht über eine in Abhängigkeit von der Belastung bzw. Ausnutzung ermittelte kritische Temperatur hinaus erwärmt. Beim Nachweis auf Tragfähigkeitsebene werden in Abhängigkeit von der Belastung die maßgeblichen statischen Nachweise z. B. für Biegung und Stabilität geführt. Der Eurocode 3 enthält entsprechende Nachweisverfahren, in die die maßgeblichen Parameter und Faktoren in Abhängigkeit von der Temperatur modifiziert eingehen.

Für den Nachweis des konkreten Bauteils wurden die Nachweise auf Tragfähigkeitsebene geführt. Im konkreten Fall sind die Bauteile im kalten Zustand nur zu einem sehr geringen Anteil ausgelastet. Auf die genaue Berechnung der maßgebenden Lastfallkombination im Brandfall unter Berücksichtigung abgeminderter Teilsicherheitsbeiwerte für die außergewöhnliche Lastfallkombination der ständigen und veränderlichen Lasten konnte daher verzichtet werden. Stattdessen wurde die Möglichkeit des Eurocode genutzt, einen auf der sicheren Seite liegenden pauschalen Abminderungsfaktor für die Lasten aus der kalten Bemessung zu verwenden. Unter Annahme einer Vollauslastung liegt dieser bei eta fi = 0,65. Abb. 4 zeigt exemplarisch einen der geführten Knicksicherheitsnachweise.

Neben den statischen Nachweisen wurden auch Nachweise für die Tragfähigkeit der Schweißnähte im Brandfall geführt.

Das Beispiel konnte damit zeigen, dass unter günstigen Ausgangsbedingungen (in diesem Fall eine geringe Auslastung und ein massiver Querschnitt) aufgrund einer Heißbemessung auf Bekleidungs- oder Beschichtungsmaßnahmen verzichtet werden kann. Sollen diese Verfahren auch für historische Stahlkonstruktionen eingesetzt werden, müssen zusätzlich die Materialparameter des historischen Stahls beachtet werden. Werden neue Bauteile nachgewiesen, kann zudem eine Verzinkung dazu beitragen, dass die Wärmeaufnahme und damit die Erwärmung zusätzlich verzögert wird und damit auch bei einer höheren Auslastung der Nachweis eines ungeschützten Bauteils gelingt.

Nachweis historischer Kappendecken unter ETK-Beanspruchung

In alten Bestandsgebäuden wurden an vielen Stellen, vor allem in Kellergeschossen, preußische Kappendecken verbaut. Die Kappendecken zeichnen sich durch Gewölbe aus Mauerwerk oder Beton aus, als Auflager dieser Gewölbe dienen Stahlträger (Abb. 5).

Der Unterflansch der Stahlträger wurde in der Vergangenheit häufig ohne Bekleidung hergestellt. Im Preußischen Feuerpolizeirecht von 1928 wird erwähnt, dass Kappendecken mit frei liegendem Untergurt auch ohne zusätzliche Brandschutzmaßnahmen als feuerbeständig galten [6]. Dies entspricht jedoch nicht den heutigen Anforderungen zur Erfüllung der Feuerwiderstandsklasse „feuerbeständig“. Im Zuge einer wesentlichen Änderung war der Nachweis nach aktuellem Baurecht erforderlich geworden.

Die Kappen zwischen den Stahlträgern (I280-Profile) wurden über die DIN 4102-4 von 1994 [7] nachgewiesen. Die Stahlträger sind grundsätzlich durch die Kappen vor thermischer Einwirkung geschützt, jedoch gilt dies nicht für den Unterflansch. Dieser ist einem Brand direkt ausgesetzt und kann sich unzulässig erwärmen. Eine brandschutztechnische Bekleidung der Unterflansche war architektonisch nicht gewünscht. Es wurde daher eine sogenannte Heißbemessung durchgeführt. Diese gliedert sich in eine thermische und eine mechanische Analyse.

Sowohl für die thermische als auch für die mechanische Analyse wurden in einer internen Studie bei hhpberlin die mechanischen und thermischen Materialeigenschaften von historischem Stahl untersucht [8]. Neben einer Parameterstudie wurde eine Literaturrecherche zum Brandverhalten und zu den Kennwerten des historischen Stahls durchgeführt. Für die Wärmeleitfähigkeit, die Fließgrenze, den temperaturabhängigen Verlauf des E-Moduls sowie die thermische Dehnung von Flussstahl gibt die Literatur temperaturabhängige Verläufe an. Diese wurden zusammengestellt und ausgewertet, und der Einfluss auf das Tragverhalten mit Vergleichsrechnungen wurde überprüft. Diese Materialkennwerte werden für die Untersuchungen verwendet.

Das numerische Modell für die thermische Analyse ist in Abb. 6 dargestellt. Dazu wird nur ein Teil der Kappendecke modelliert; die Ränder zu den Kappen wurden als adiabatische Ränder definiert. Als thermische Einwirkung auf den Stahlträger (genauer: Unterflansch) und die Kappen dient die Einheitstemperaturzeitkurve. Die Wärmeübergangsbedingungen werden entsprechend DIN EN 1993-1-2 [3] bzw. DIN EN1992-1-2 [9] (Betonzwickel bei den Kappen) gewählt. Exemplarisch ist das Temperaturfeld zur 30. Brandminute in Abb. 6 dargestellt.

Mit den Angaben zum statischen System bei Raumtemperatur, der außergewöhnlichen Einwirkungskombination, den Lasten, den Temperaturfeldern und den recherchierten Materialkennwerten wurde eine mechanische Analyse durchgeführt. Dabei wurden auch Laststellungen und deren Auswirkungen betrachtet.

Als Versagenskriterium bei der mechanischen Analyse wurden neben der Tragfähigkeit auch Verformungskriterien angesetzt. Zum einen sind es die üblichen Verformungskriterien aus Brandversuchen. Zum anderen musste sichergestellt werden, dass trotz der Durchbiegung des Stahlträgers die Lagesicherheit der Decke, die mit Schlackenbeton gefüllt ist, gewährleistet ist. Dabei wurde in Anlehnung an durchgeführte Versuche an ähnlich gelagerten Decken von einer maximal zulässigen Durchbiegung von ucrit = l/40 ausgegangen.

Die Simulation wurde aufgrund des Überschreitens des Ausnutzungsgrades nach 42 Minuten abgebrochen. Die Verformungskriterien wurden bis zur 37. Minute der Einheitstemperaturzeitkurve eingehalten. Somit konnte der Träger unter Berücksichtigung der Einbausituation und der Lastanordnung in die Feuerwiderstandsklasse F30/R30 (feuerhemmend) eingestuft werden.

Zusätzlich wurden noch vereinfachte Betrachtungen zur Kontrolle durchgeführt und Betrachtungen zu Torsionsbeanspruchung angestellt. Nachweise zur Tragfähigkeit des Unterflansches aus der Lasteinleitung der Kappen rundeten die mechanische Analyse ab.

Mittels der Heißbemessung konnte die Kappendecke als R30-Bauteil (feuerhemmend) nachgewiesen werden. Dabei wurden die architektonischen Ansprüche, sichtbare Unterflansche, erfüllt. Architektur, Brandschutz und Standsicherheit konnten Hand in Hand erfüllt werden.

Nachweis von Gussstützen unter ETK-Beanspruchung

Die Hamburger Speicherstadt wurde um 1900 errichtet und ist heute UNESCO-Weltkulturerbe. Die Gebäude der Speicherstadt werden kontinuierlich für aktuelle Nutzungen hergerichtet und die sonst übliche Lagernutzung wird aufgegeben.

Der „Speicherblock V 11-16“ (Abb. 7) ist eines dieser Gebäude, die einer aktuellen Nutzung zugeführt werden.

Beim Gebäude ist im Bestand eine Deckenkonstruktion als Koenensche Voutenplatte ausgeführt, die auf Gussstützen aufgelagert ist. Aufgrund des aktuellen Baurechts, das angesetzt wird, ist unter anderem die Feuerwiderstandsfähigkeit der Stützen zu bewerten. Es wird eine Feuerwiderstandsfähigkeit von 90 Minuten auf der Grundlage der Einheitstemperaturzeitkurve angestrebt. Der Bauherr ging von einer maximalen R60-Klassifizierung und Kompensationsmaßnahmen (Brandmeldeanlage) aus. Da es keine Klassifizierungstabellen für die Gussstützen gibt, erfolgte eine Heißbemessung, die auch die im Bestand vorhandene Bekleidung der Stützen berücksichtigte.

Die Stützen sind zum Schutz vor thermischen Einwirkungen mit einer Korksteinschicht (Korkstein ist ein aus Kork, Tonerden und Luftkalk hergestellter Baustoff) und einem Blechmantel umhüllt. Aufgrund dieses Querschnittsaufbaus sind Geometrieaufnahmen und auch Festigkeitsuntersuchungen vor Ort nur bedingt möglich.

Aufgrund der Vielzahl der Stützen im Gebäude mit unterschiedlichen Querschnitten und Belastungen wurden die Stütze mit der ungünstigsten Erwärmung und die am ungünstigsten mechanisch belastete Stütze herausgearbeitet. Diese wurden dann zu einer Stütze zusammengefasst. Dies ergibt ein Worst-Case-Szenario, mit dem alle Stützen gleichzeitig nachgewiesen wurden. Die Stütze mit der ungünstigsten Erwärmung konnte anhand der Profilfaktoren (A/V-Verhältnis) bestimmt werden. Die am ungünstigsten mechanisch belastete Stütze ergab sich aus der Statik bei Raumtemperatur.

Anhand von historischen Materialkennwerten zu dem Korkstein konnte abgeschätzt werden, dass sich Beton in einer thermischen Analyse ungünstiger verhalten wird (Gussstütze erwärmt sich schneller). Mit dieser Erkenntnis wurde anschließend das Temperaturfeld der Gussstütze ermittelt.

Bei der anschließenden mechanischen Analyse sind nicht nur Schiefstellung bzw. Krümmung der Stütze ohne Last zu berücksichtigen. Auch die Temperaturabhängigkeit des Materials, das ungleiche Zug- und Druckverhalten von Guss und auch zusätzliche Exzentrizitäten der Stützen aus dem Gießvorgang sind relevant.

Mittels einer Literaturrecherche konnten Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, thermische Dehnung und thermische Materialkennwerte für Guss bestimmt werden. Für die Druck- und Zugfestigkeit von Guss wie auch für die Exzentrizität aus dem Gießvorgang wurden Versuchsdaten erhoben und statistisch ausgewertet. Die statistische Auswertung erfolgte nach den aktuellen Regelwerken.

Mit den Angaben konnten die Gussstützen für 90 Minuten Brandeinwirkung nach ETK nachgewiesen werden, sodass sie R90 (feuerbeständig) sind.

Die Wirksamkeit der Bekleidung konnte mittels Versuchen nachgewiesen werden. In einem Brandversuch in [10] wurde eine Gussstütze mit der hier vorliegenden Bekleidung untersucht und auch die Wirksamkeit der Bekleidung nachgewiesen. Weiterhin wurde die Stütze in [10] mechanisch belastet, sodass Versuchsergebnisse vorlagen (Abb. 8). Diese können bezogen auf die vorgestellten Simulationen jedoch nur Hinweise liefern, dass die Stütze im Versuch eine andere Knicklänge, eine andere Belastung und auch eine abweichende Beflammung aufweist.

In Summe konnten mit der Heißbemessung und dem Nachweis R90 zusätzliche Bekleidungen eingespart werden, der historische Anblick konnte erhalten werden und Kompensationsmaßnahmen konnten eingespart werden.

Fazit

Der Artikel stellt beispielhaft die unterschiedlichen Möglichkeiten bei der heißen Bemessung von Stahlbauteilen dar und legt ein besonderes Augenmerk auf bestehende und historische Konstruktionen. Speziell bei diesen Konstruktionen bietet die „heiße“ Bemessung in Verbindung mit der Naturbrandbemessung die Möglichkeit, die Aufwendungen auf das minimal Erforderliche reduzieren und bestehende Gebäude nachhaltig weiter zu nutzen.