Robuste Stahlbauten bei Brandbelastungen

598 © Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Stahlbau 79 (2010), Heft 8

Fachthemen

DOI: 10.1002/stab.201001355

1 Einleitung

Der Lastfall Brand beschäftigt denTragwerksplaner nicht nur bei der Be-messung von Gebäuden, sondernauch bei anderen wichtigen Inge-nieurbauwerken (z. B. Tunnelbauten).Der Lastfall Brand unterscheidet sichvon anderen Einwirkungen dadurch,dass es sich um eine außergewöhnli-che Einwirkung handelt. Die Einwir-kung Brand wird zu einer hohenWahrscheinlichkeit bei einem Bau-werk während seiner gesamten Le-bensdauer nicht eintreten. Tritt derBrandfall jedoch ein, führt dies zuwesentlichen Schäden am Bauwerkoder gar zum Versagen. Darüber hi-naus ist ein Brandereignis mit einergroßen Gefahr für Leib und Lebenseiner Benutzer verbunden.

Der Lastfall Brand ist eine au-ßergewöhnliche Einwirkung. Histo-risch und in Ermangelung wissen-schaftlich fundierter Methoden wur-den die brandschutztechnischen An-forderungen sehr hoch angesetzt,sowohl bezüglich der anzusetzendenEinwirkung als auch der einzuhal-tenden Widerstände, weil die tatsäch-lichen Brandeinwirkungen und diedaraus folgenden Einflüsse auf dasTragwerk nicht zu beschreiben waren.

Die Forschung im Bereich desbaulichen Brandschutzes war daherin den letzten Jahrzehnten bestrebt,diese Kenntnislücke zu füllen. DasZiel war es, die Brandeinwirkungdurch möglichst realitätsnahe Brand-szenarien zu erfassen und das Trag-verhalten der Tragstruktur unter ther-mischer Beanspruchung ausreichendgenau vorhersagen zu können (s.Bild 1).

Traditionell wird die Tragfähig-keit der Struktur im Brandfall so si-chergestellt, dass alle Bauteile ihreTragfunktion während der maßge-benden Brandeinwirkungen behal-ten. Diese Methode stellt den ein-fachsten Weg sowohl für den Trag-werksplaner als auch für die Behör-den dar. Einzelne Elemente (Träger,Stützen) werden dabei unter normier-ten Bedingungen (Einheitstempera-turkurve, ETK) getestet, bemessenund klassifiziert ohne die Interaktionmit den angrenzenden Bauteilen zuberücksichtigen.

Die Erfahrung hat jedoch ge-zeigt, dass das Tragverhalten derStruktur nicht unbedingt dem Wider-stand seines schwächsten Teilsgleichzusetzen ist, weil zusätzlicheLastumlagerungen stattfinden. Sol-che Interaktionen können sowohl ei-nen gutmütigen Einfluss bewirken (s.Bild 2), als auch zu einem vorzeitigen

Riccardo ZanonMarc MayLouis-Guy CajotHans-Werner Girkes

Robuste Stahlbauten beiBrandbelastungen

In diesem Aufsatz werden die Aspekte des baulichen Brandschutzes vorgestellt, bei de-nen die Robustheit der Tragkonstruktion eine zentrale Rolle spielt. Erläutert wird dasKonzept des kontrollierten Einsturzverhaltens bei eingeschossigen Gebäuden. Außerdemwird die Robustheit von mehrgeschossigen Gebäuden diskutiert und exemplarisch andrei Beispielen vorgestellt.

Robustness of steel constructions under fire load. In this article some applications offire safety engineering are presented, where the concept of structural robustness playsa major role. First the collapse mode analysis of single-storey buildings is explained andits application to industrial halls. Then the robustness in multi-storey buildings is brieflydiscussed where the examples of local collapse of beam, column and wind bracing arepresented.

Bild 1. Verfahrensmethoden im BrandschutzFig. 1. Fire safety approaches

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R. Zanon/M. May/L.-G. Cajot/H.-W. Girkes · Robuste Stahlbauten bei Brandbelastungen

Stahlbau 79 (2010), Heft 8

Versagen einzelner Elemente undfolglich des gesamten Bauwerkes füh-ren (s. Bild 3).

Robustheit, verstanden als dieFähigkeit des Bauwerks, eine den Ur-sachen unangemessene Schädigungzu vermeiden, beinhaltet eine andereBetrachtungsweise. Nach Ansicht derAutoren sind robuste Stahlbauten imBrandfall diejenigen, die trotz dermöglichen erheblichen Schädigungenerstens das Leben der Nutzer und derRettungsmannschaften nicht gefähr-den und zweitens die von Nutzer undBehörden vorgeschriebenen Anforde-rungen erbringen.

Von wesentlicher Bedeutung istdaher die Festlegung der Einwirkungenund der hinnehmbaren Schäden. DieEinwirkungen müssen der Gebäude-kategorie (z. B. mehrgeschossig vs. eingeschossig), der Brandlast (z. B.Schwimmhalle vs. Bibliothek), dem

Brandrisiko (z. B. Molkerei vs. Feuer-werkindustrie) und der Nutzungsart (z. B. Holzlager vs. Hubschrauberhan-gar) angemessen sein. Eine solche Vor-gehensweise setzt Interaktionen zwi-schen Behörden, Bauwerks-Nutzer/Besitzer und Tragwerksplaner voraus.

Dies setzt eine zielorientierteTragwerksanalyse voraus, die durchwissenschaftlich begründete Metho-den das tatsächliche Tragverhaltenmöglichst genau vorhersagt. DieseHerausforderung gilt letztendlich demaufstellenden Ingenieur. In den fol-genden Abschnitten werden einigeBeispiele vorgestellt, in denen dasKonzept der Robustheit zur Anwen-dung kommt.

2 Eingeschossige Gebäude

Bild 2 zeigt eine Industriehalle, miteinem Tragwerk aus Stahl nach ei-

nem schweren Brand. Die Dachbin-der hatten keine Anforderung an denFeuerwiderstand und waren unge-schützt. Die Stützen waren feuerge-schützt [1]. Trotz der großen Verfor-mungen der Dachbinder und Pfettentrat kein Versagen ein und das Ge-bäude war nach dem Brand noch be-gehbar. Die überkritischen Tragreser-ven der Struktur hatten dafür gesorgt,dass die Lasten abgetragen werdenkonnten. Außer der Robustheit derStahlkonstruktion läßt sich noch fol-gendes feststellen:– aufgrund der hohen Gastemperatur

könnte ein Mensch bei vollentwi-ckeltem Brand in der Halle nichtüberleben

– die Güter, die in der Halle gelagertwaren, sind entweder vollkommenverbrannt oder zerstört

– obwohl kein völliges Versagenstattfand, hat die Halle eine solche

Bild 2. Übermäßige Verformungen ohne Versagen einer Industriehalle nach einem schweren BrandFig. 2. Huge deformation of an industrial hall after severe fire without structural collapse

Bild 3. Verschiedene Versagensformen unterschiedlicher Bauweisen für IndustriehallenFig. 3. Different failure modes of two structural systems of industrial halls

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Schädigung erfahren, dass eineWiederverwendung nur schwervorstellbar ist

Anhand dieses Beispiels lassen sicheinige Schlussfolgerungen ziehen.Für die Sicherheit der Nutzer ist beieingeschossigen Gebäuden eine hoheBrandschutzanforderung nicht nötig,da die Grenze für menschlichesÜberleben weit unter der der Trag-struktur liegt. Es muss jedoch sicher-gestellt werden, dass in keinem Fallder Einsturz eines Brandabschnittesdas Versagen von angrenzenden Bau-teilen oder Brandabschnitten verur-sacht. Jedoch ist die Sicherheit derFeuerwehr zu gewährleisten. Ret-tungsmannschaften, die versuchendas Feuer von außen zu löschen, dür-fen nicht durch nach außen einstür-zende Gebäudeteile gefährdet wer-den. Unfälle dieser Art sind beischlecht bemessenen Konstruktionennicht unwahrscheinlich: Bild 4 zeigtzwei verschiedene Einsturzvariantennach einer schweren Brandeinwir-kung.

Es müssen aber auch wirtschaft-liche Aspekte berücksichtigt werden.Beispielhaft sei hier auf den Fall Bon-tempi [2] hingewiesen, der die Brand-bemessung eines Hubschrauberhang-ars durchführte. Im Falle des Brandeseines Hubschraubers brauchte derBesitzer einen Feuerwiderstand derStruktur, der ihm erlaubte, alle ande-ren Hubschrauber herauszufahren.Danach hat die Halle kein wirtschaft-liches Interesse mehr für den Besit-zer: Ihr ökonomischer Wert ist ver-

nachlässigbar im Vergleich zu demWert der Hubschrauber.

Aus diesen Betrachtungen resul-tiert bei eingeschossigen Gebäuden,dass das Verständnis des Einsturzver-haltens in der Regel wesentlich wich-tiger ist als die Bestimmung einerBrandwiderstandsdauer. Aktuelle For-schungsarbeiten haben sich mit die-sem Thema intensiv befasst (z. B. [1]und [3]) und haben vertiefte Kennt-nisse über das Tragverhalten von Hal-lenrahmen erarbeitet. Ohne auf dieEinzelheiten einzugehen sei hier aufdie grundlegenden Prinzipien des vor-geschlagenen Brandschutzkonzepteshingewiesen (s. Bild 5):1) Es ist nachzuweisen, dass der Ein-

sturz in das Gebäudeinnere er-folgt.

2) Bei mehreren Brandabschnittenmuss nachgewiesen werden, dassder Einsturz eines Brandabschnit-

tes nicht das Versagen andererBrandabschnitte oder Bauteileverursacht.

3) Es muss sichergestellt werden,dass Brandabschnittstrennungenvon den auftretenden Verformun-gen nicht zerstört werden und dieGesamtstabilität der Tragstrukturerhalten bleibt.

Im Rahmen eines europäischen Pro-jektes [3] wurde die Software LUCAentwickelt, um den Tragwerksplanerbei der Bemessung einer Stahlhalle beidieser Betrachtungsweise zu unterstüt-zen. Dieses Werkzeug kann kostenlosunter www.arcelormittal.com/sectionsheruntergeladen werden.

3 Mehrgeschossige Gebäude

Im Gegensatz zu eingeschossigen Ge-bäuden ist bei mehrgeschossigen Ge-

Bild 4. Beispiel von kontrolliertem Einsturzverhalten einer StahlhalleFig. 4. Example of controlled failure mode of industrial hall

Bild 5. Brandschutzkonzept für IndustriehallenFig. 5. Fire safety concept for industrial halls

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bäuden ein Gesamtversagen der Trag-struktur nicht zu akzeptieren. In man-chen Fällen ist es jedoch möglich, eineSchädigung hinzunehmen, die wederdas Leben der Nutzer noch die Sicher-heit der Feuerwehr bzw. der Rettungs-mannschaften gefährdet. In diesemAbschnitt werden beispielhaft dreiFälle vorgestellt, in denen ein odermehrere Elemente im Brandfall ihreTragfunktion verlieren, ohne die Ge-samtstabilität des Bauwerks zu be-einträchtigen. In gewissen Grenzensind solche Verfahrensmethoden indie Brandschutzbemessungspraxisschon eingegangen.

3.1 Membranwirkung von Deckenfeldern

Das Prinzip der Membranwirkung vonStahlverbunddeckensystemen be-steht darin, dass die direkt dem Feuerausgesetzten Verbundträger ihreTragwirkung verlieren, dieser Ausfallaber durch die überkritischen Tragre-serven der Decke kompensiert wird.Im Grenzzustand der Tragfähigkeitim Brandfall wird die Decke sich aufangrenzende Elemente stützen, dieihre Tragwirkung über den gesamtenBrandverlauf bewahren (z. B. ge-schützte Stahlträger, Verbundträgermit Kammerbeton, ausreichend di-mensionierte Massivwände). Die gro-ßen Verformungen, die sich durch denAusfall der ungeschützten Träger erge-ben, zwingen die Decke als Membranzu wirken und erlauben somit einevolle Ausnutzung ihrer Tragreserven.Bei richtiger Bemessung kann dieserMembraneffekt den Trägerausfallkompensieren und die erforderlicheBrandbeständigkeit gewährleisten [4],[5]. Es ist interessant anzumerken,dass die überkritischen Tragreservenvon Trägerrosten mit mitwirkendenPlattenelementen schon früh bei denersten Traglastversuchen orthotroperStahlplatten beobachtet und in der Be-messung berücksichtigt wurden [6].

Im Brandschutz lässt sich dieserEffekt am besten bei einem einfachenrechteckigen System ausnutzen – ins-besondere sei an dieser Stelle die posi-tive Erfahrung vom Fracof-Brandver-such erläutert [7]. Der Prüfkörper be-stand aus sekundären Deckenträgern(IPE 300 S355) in der Hauptspann-weite (8735 mm), die an Primärträgern(IPE 400 S355, 6660 mm) angeschlos-sen waren. In jeder Ecke befandensich Stützen, die auf der Ofenwand

standen. Die Verbunddecke (Stahltra-pezprofile 58 mm und dünner Beton-spiegel 97 mm mit geschweißterStahlmatte Q257) spannte zwischenzwei Deckenträger (Abstand 2220mm) und die Verbundwirkung wurdedurch Kopfbolzendübel gewährleistet(Durchmesser 19 mm, Gesamthöhenach dem Verschweißen 120 mm).Lediglich die Randträger wurdenbrandgeschützt, die Deckenträger blie-ben ungeschützt (s. Bild 6).

Im Versuch wurde die Tempera-tur nach dem Temperaturverlauf derEinheitstemperaturkurve (standardi-sierter Temperaturverlauf nach ISONorm ISO834) über einen Zeitraumvon zwei Stunden aufgebracht. Trotzerheblicher vertikaler Verformungen,trat kein Versagen der Konstruktionauf. Am Ende des Versuchs betrug die

Durchbiegung in Feldmitte 44 cm unddie Temperatur der ungeschützten Trä-ger erreichte 1024 °C (s. Bild 7). Wäh-rend derAbkühlphase bildeten sich dieVerformungen teilweise zurück.

Dieses robuste Tragverhaltenwurde durch mehrere Versuche so-wohl mit Naturbrandverläufen [4],[8] als auch unter Einheitstempera-turkurven [7], [9] bestätigt. Baileyschlug als erster ein Modell vor [4],das die Membranwirkung im Brand-fall erfasste und eine gute Abschät-zung der Tragkapazität ermöglichte.Dem ersten Verfahren wurden zusätz-liche Verbesserungen hinzugefügt, umverschiedene Konfigurationen, Ver-träglichkeitsbedingungen und Versa-gensformen zu berücksichtigen [5].

Die Brandschutzbemessung gehtdavon aus, dass die Tragfähigkeit der

Bild 6. Aufbau des Fracof-Brandversuches in Maizieres-les-MetzFig. 6. System of the Fracof fire test in Maizieres-les-Metz

Bild 7. Durchbiegung in Feldmitte von Fracof-Versuch – Versuchswerte undErgebnisse der numerischen SimulationFig. 7. Central deflection of the Fracof test – Measured and calculated value

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ungeschützten innenliegenden Trägerim Zustand der maximalen Brandbe-anspruchung abnimmt und die Ver-bundplatte als eine zweiachsig ge-spannte Platte wirkt, die nur am Randgehalten wird. Bei der Berechnungder Tragfähigkeit jedes Deckenbe-reichs werden die Tragfähigkeit derVerbundplatte und der ungeschütztenTräger getrennt berechnet. Bei derBemessung wird davon ausgegangen,dass am Rand der rechteckigen Sys-temzone keine Durchlaufwirkung(weder in der Platte noch in den Trä-gern) auftritt.

Die Plattentragfähigkeit wird mit-tels Bruchlinientheorie ermittelt underhöht sich unter den vertikalen Ver-formungen, die im Laufe des Brandeseintreten. Diese Erhöhung verstärktsich mit der steigender Durchbiegungder Platte, bis es zum Zugversagen in-folge Reißens der Bewehrung in Plat-tenlängsrichtung (Richtung der größe-ren Spannweite) oder zum Druckver-sagen des Betons in den Ecken derPlatte kommt.

Die Stahlprofiltragfähigkeit wirdeinfach mittels Fließgelenktheorie er-mittelt und der Plattentragfähigkeithinzuaddiert – bei Temperaturverläu-fen aufgrund hoher Brandlasten un-terschreitet dieser zweite Anteil 10 %der gesamten Systemtragfähigkeit.Dieser Wert wird der Einwirkung imBrandfall gegenübergestellt, um dieStandsicherheit zu prüfen.

Für eine ausführliche Erläute-rung des analytischen Modells sei andieser Stelle auf die einschlägige Lite-ratur hingewiesen [10]. Diese Metho-de konnte sowohl experimentell alsauch rechnerisch verifiziert werden

und ist im Begriff, in die tägliche Inge-nieurpraxis einzugehen. Für Deutsch-land sei hier auf das IGF-Vorhaben„Nutzung der Membranwirkung vonVerbundträger-Decken-Systemen imBrandfall“ [11] hingewiesen.

3.2 Lokaler Stützenausfall

Das Gefährdungsbild eines Stützen-ausfalls ist kein rein theoretisches Ge-dankenspiel, sondern kann durch ver-schiedene Ursachen (z. B. Explosion,Anprall, Brand, Erdbeben) hervorge-rufen werden. Dieses Ereignis kannzu unkontrollierbaren Schäden (wiedas Einstürzen des gesamten Gebäu-des) führen. Beispielhaft genannt seider Bombenanschlag in OklahomaCity am 19. April 1995, wobei derAus-fall einer Fassadenstütze den Teilein-sturz von neun Geschossdecken ver-ursachte und dadurch 168 Menschenums Leben kamen [12].

Im Brandschutz wird in der Re-gel gefordert, dass alle Stützen ihreTragwirkung während der gesamtenBrandeinwirkung behalten. Bei ge-schützten oder ungeschützten Stahl-querschnitten wird der Nachweisüblicherweise erbracht, indem mannachweist, dass die Temperatur, diewährend des Brandes erreicht wird,kleiner als die kritische Temperaturist. Bei Verbundstützen wird derNachweis etwas aufwändiger; hierbietet der Eurocode vereinfachte Me-thoden für typisierte Querschnitte an.Darüber hinaus steht dem Tragwerks-planer die Anwendung von Finite-Element-Analysen zur Verfügung. Inallen Fällen wird sichergestellt, dassdas Versagen der Stütze bei der Be-

messungsbrandkurve nicht eintritt.Wenn aus unvorhergesehen hohenTemperaturen oder aus der Kombina-tion mehrerer Einwirkungen ein Stüt-zenversagen verursacht werden soll-te, ist ein Einsturz des gesamten Ge-bäudes nicht auszuschließen.

In einigen Fällen lässt sich je-doch zeigen, dass der Ausfall einerStütze trotz erheblicher lokaler Schä-den nicht die Gesamtstabilität desGebäudes gefährdet und somit ak-zeptiert werden kann. Insbesonderemehrfach statisch unbestimmte Trag-systeme mit einem besonders duk-tilen Tragverhalten zeigen, dass nacheinem lokalen Elementversagendurch die Ausbildung alternativerLastabtragwege (alternative load-path), der Ausfall des üblichen Last-abtragweges kompensiert werdenkann. Diese Vorgehensweise beinhal-tet den Vorteil, dass ein Nachweisgegen globales Tragwerksversagenerbracht wird und somit die Robust-heit des Gebäudes nachgewiesen wird.

DieserAnsatz erweist sich als be-sonders vorteilhaft bei der Bemes-sung von Bauwerken unter lokalenBränden, d. h. unter der Annahme,dass jeweils nur eine Stütze durch diethermischen Einwirkungen kritischbeansprucht wird. In diesem Ab-schnitt sei das Beispiel eines unterir-dischen Parkhauses erläutert, in demder Brand von Personenkraftwagenund einem kleinen Lastkraftwagenstattfindet (s. Bild 8).

Es wird ein unterirdisches Park-haus mit dem üblichen Stützenraster16 × 5 m betrachtet, wobei typischeVerbundträger (IPE 400 S355 alsDecken- und Primärträger) und

Bild 8. Unterirdisches Parkhaus und BrandszenarioFig. 8. Closed car park and fire scenario

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eine Verbunddecke (Stahltrapezpro-file 58 mm und dünner Betonspiegel62 mm mit geschweißter StahlmatteQ257) zum Einsatz kommen. Die ge-samte Tragstruktur wird nicht feuer-geschützt. Ein sehr konservativesBrandszenario wurde für dieses Bei-spiel den französischen Verordnun-gen entnommen: Es wird der Fall ei-nes lokalen Brandes von drei Pkwund einem Kleintransporter mit ho-her Brandlast analysiert [13]. Die Be-rechnung wird mit dem FEM-Soft-ware SAFIR, entwickelt von der Uni-versität von Lüttich, durchgeführt[14] (s. Bild 9).

Nach ungefähr 21 Minuten über-schreitet die Temperatur im Quer-schnitt der zentralen Stütze, die di-rekt von den vier brennenden Fahr-zeugen umgegeben ist, 650 °C. Damitist ihre Tragfähigkeitsreserve er-schöpft. Es kommt zu einem Auskni-cken der Stütze, was eine plötzlichevertikale Verformung des gesamtenSystems verursacht. Nach dieser In-stabilität verbleiben dem System je-doch noch wesentliche Tragreserven:alternative Lastabtragwege könnensich ausbilden dank der Membran-wirkung der Decke, der Durchlaufwir-kung der Träger und die Momenten-umverteilung in die geringer erwärmteStruktur. Bei großen Verformungenstellt sich eine neue Gleichgewichtsla-ge ein, die die Stabilität des Gebäudeswährend des gesamten Brandes si-cherstellt (s. Bild 10).

Es ist jedoch zu beachten, dasssolche Berechnungen mit großenVerformungen extreme Anforderun-gen an die Duktilität der Tragstrukturund deren Elemente stellen. Wenn ei-nerseits das FE-Modell das elasto-plastische Verhalten von Trägern undDeckensystemen ausreichend genauerfassen kann, muss der Tragwerks-planer lokalen Instabilitätserschei-nungen und möglichem sprödenBruchversagen besondere Aufmerk-samkeit widmen. Eine Schlüsselfrageist das Momenten-Rotationsverhaltender Anschlüsse bei großen Verfor-mungen. Mit diesen und anderenProblemen bezüglich extremer Ereig-nisse haben sich mehrere For-schungseinrichtungen in den letztenJahren befasst (z. B. [15], [16], [17]);ein allgemeines Nachweisverfahrenkonnte dem Praktiker jedoch nochnicht zur Verfügung gestellt wer-den.

3.3 Ausfall der Vertikalverbände

Um einen Einsturz des Gebäudes in-folge Gesamtstabilitätsversagen imBrandfall zu vermeiden, muss dieTragstruktur in der Lage sein, die ho-rizontalen Kräfte und die durch dieBrandeinwirkung bedingten zusätzli-chen inneren Kräfte aufzunehmen.Die großen Verformungen und die al-ternativen Lastabtragungswege, dieim Brandfall in der Regel auftreten,können Kräfteumlagerungen verur-sachen und somit beträchtliche Ein-flüsse auf die Bemessung der ausstei-fenden Tragelemente haben.

Sowohl Mauerwerk- oder Stahl-betonaussteifungswände als auch

stählerne Vertikalverbände müssenmit dem nötigen Feuerwiderstand be-messen werden. Eine Möglichkeit,den Feuerwiderstand von stählernenVertikalverbänden zu erreichen ohnepassiven Brandschutz aufzubringen,ist das Aussteifungssystem in einembrandgeschützten Bereich anzuord-nen, zum Beispiel im Treppenhaus,im Fahrstuhlschacht oder in einemTechnikkern. Es ist wichtig, dass dieUmfassungswände, die einen solchenSchacht umschließen, den erforder-lichen Brandwiderstand besitzen.Stählerne Träger, Stützen und Aus-steifungselemente, die sich vollstän-dig in einem solchen Schacht befin-den, können ungeschützt bleiben.

Bild 9. FE-Modell des Parkhauses für die thermo-mechanische Analyse mit SAFIRFig. 9. FE Model of the car park for the thermo-mechanical analysis with SAFIR

Bild 10. Vertikale Verformung vor und nach StützenausfallFig. 10. Vertical deflection before and after column buckling

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Falls ein Gebäude in mehrereBrandabschnitte unterteilt ist, kön-nen die Vertikalverbände unge-schützt bleiben, sofern sie in ver-schiedene Brandabschnitte angeord-net werden. Es ist jedoch nachzuwei-sen, dass trotz des Ausfalls derVertikalverbände in einem Brandab-schnitt, die verbleibenden Elementein der Lage sind, die Gesamtstabilitätdes Gebäudes zu gewährleisten. Diesgelingt oft dank der Reduktion derhorizontalen Kräfte dieser außerge-wöhnlichen Bemessungssituation imVergleich zu den Grundkombinatio-nen (üblicherweise 50 % bis 75 %). Inder Regel ist keine außergewöhnlicheGebrauchsfähigkeitsbetrachtung (wiez. B. Verschiebungsgrenze oder Riss-aufweitung) zu untersuchen. Es ist je-doch wichtig, die auftretenden Tor-sionskräfte zu berücksichtigen, diebeim Brand durch den Ausfall derVertikalverbände entstehen.

Ein weiterer möglicher Nach-weis ist die Sicherstellung der Stand-sicherheit des Gebäudes im Brand-fall trotz des Ausfalles der im Kaltzu-stand benötigten Vertikalverbände.Diese Strategie wurde beispielweisebei der Bemessung des ArcelorMittalOffice Buildings (Esch-sur-Alzette,Luxemburg, 1993) angewendet [18](s. Bild 11).

Dieses Gebäude besteht aus zweigleichen Flügeln mit insgesamt neunGeschossen (Bauvolumen 50000 m3).In jedem Flügel tragen sieben Stützen-reihen zu je vier Stützen die Lasten ab.Die Stützen einer Reihe sind mit inte-grierten Deckenträgern untereinanderverbunden, welche aus einem halbenIPEA 500 und einem 10 mm starkenUntergurt zusammengeschweißt sind.Diese Stahlträger tragen vorgespannteDeckenelemente, die mit einem be-wehrten Ortbeton von rund 10 cmStärke versehen sind und die Ge-

schossflächen bilden. Horizontallas-ten werden über die Decken durchScheibenwirkung zu den Querwind-verbänden (zwei je Gebäudeflügel)und zu den Längsverbänden (einer jeGebäudeflügel) geleitet. In jedem Ge-bäudeflügel sind die Decken ab Erdge-schoss bis unters Dach, durch größereÖffnungen von je 60 m2 durchbro-chen. In diesen sogenannten Atrium-höfen liegen die Stahlstützen undStahlfachwerke der Queraussteifungund sind somit im Gebäude über eineHöhe von rund 30 m sichtbar (s. Bild12). Die Längsaussteifung befindetsich in den Treppenhäusern und istsomit als brandgeschützt anzusehen.

Durch das Brandsicherheitskon-zept wurde es möglich, die gesamteBürofläche in lediglich zwei Brandab-schnitte zu unterteilen – je Gebäude-flügel ein Brandabschnitt über achtGeschosse (die drei Treppenhäuserbilden separate Brandabschnitte undFluchtwege). Die passiven und aktivenBrandschutzmaßnahmen (auf Rauchund Wärme reagierende Feuerdetek-toren, gesicherte Fluchtwege, automa-tische Rauchabzugsöffnungen, auto-matische Schließung von Brandtüren,Sprinkleranlage) resultieren aus demBrandszenario eines lokalen Brandesüber zwei Geschosse mit einer mäßi-gen Feuertemperaturkurve.

Dieses Szenario blieb jedoch kri-tisch für die stählerne sichtbare Ge-bäudeaussteifung in Querrichtung:Durch äußere Windkräfte und innereTemperatureinwirkung wurden Stäbeim Verband rechnerisch über ihreKnicklast beansprucht. Durch eineinnovative Strategie wurde eine Lö-sung gefunden: Während im Normal-zustand die Struktur als klassisches,durch Windverbände ausgesteiftesPendelstützensystem wirkt, wird imBrandzustand ein Rahmensystem ak-tiviert, indem die Horizontalkräfteaus Wind durch die Aktivierung derMomententragfähigkeit der Decken-träger-Stützen-Verbindungen aufge-nommen wird. Es konnte nachgewie-sen werden, dass die Resttragfähigkeitdes ausgefallenen Windverbandesrechnerisch vollkommen vernachläs-sigt werden kann, ohne die Gesamt-stabilität zu gefährden. Dies wurdeerreicht durch die Ausbildung derTräger-Stützen Verbindungen in denWindverbandebenen als momenten-tragfähige Anschlüsse (s. Bild 12).

Bild 11. ArcelorMittal Bürogebäude in Esch-sur-Alzette (Luxembourg)Fig. 11. ArcelorMittal office building in Esch-sur-Alzette (Luxembourg)

Bild 12. Interner, nicht brandgeschützter WindverbandFig. 12. Internal not fire protected wind bracing

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Neue numerische Simulationen(SAFIR 2007, [14]) bestätigen das da-mals ermittelte Tragverhalten [19] miteiner maximalen horizontalen Ver-schiebung von 10,2 cm, wobei ca. 7 cmals Verformung nach der Abkühlphaseverbleiben (s. Bild 13). Eine solcheVerformung ist einerseits unverträglichmit der Funktionalität vieler Installa-tionen (z. B. Aufzugsschächte), kannandererseits aber als hinnehmbareSchädigung unter der außergewöhnli-chen Bemessungssituation angesehenwerden, weil die Tragfunktion der ge-samten Konstruktion erhalten bleibt.

4 Ausblick

Wunsch der Autoren ist es, dass die-ses anspruchsvolle, aber vielverspre-chende Konzept der Robustheit inZukunft allmählich in die täglichePraxis eingehen wird, um eine bes-sere, fundierte und zielorientierteEinschätzung des Sicherheitsniveausim Brandfall zu ermöglichen, bei dem die Lastumlagerungsfähigkeitder Konstruktion berücksichtigt wird.

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Autoren dieses Beitrages:Dipl.-Ing. Riccardo Zanon, [email protected],Dipl.-Ing. Louis-Guy Cajot, [email protected],beide ArcelorMittal Global R&D, 66, rue de Luxembourg, L-4009 Esch/AlzetteDipl.-Ing. Marc May,[email protected],ArcelorMittal Commercial Sections - TechnicalAdvisory, 66, rue de Luxembourg, L-4009 Esch/AlzetteDipl.-Ing. Hans-Werner Girkes, bauforumstahl, Sohnstraße 65, D-40373 Düsseldorf, [email protected]

Equivalent wind forcesMax. displ. 102 mm

Buckled bracingelements

a) Displacement 1:2 at temperature peack after 24 min b) Bending moment at temperature peak after 24 mm

Bild 13. Tragverhalten des Stahlskelettes unter BrandeinwirkungFig. 13. Behaviour of the steel structure under fire

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