Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Brandschutztechnik im Stahlbau
Das brandsichere Konstruieren von Stahltragwerken entwickelt sich ebenso rasch wie die Brandschutz-technik im allgemeinen.
Das brandsichere Konstruieren von Stahltragwerken entwickelt sich ebenso rasch wie die Brandschutz-technik im allgemeinen. Dem erfahrenen Ingenieur stehen heute neue Verfahren, fortschrittliche Analyse-methoden und verbesserte Techniken für die Risikowertung zur Verfügung, um Stahlbauten auch im Hinblick auf den Brandfall richtig zu konstruieren. Die Brandsicherheit ist ein Thema, das in vielen Ländern auf der ganzen Welt immer mehr an Bedeutung gewinnt und zweifelsohne in zunehmenden Maße die Auslegung und Spezifizierung von Bauwerken sowie die Auftragsvergabe beeinflussen wird.
Üblicherweise wird für die Brandsicherheit von Stahlbauten eine Auswahl kostengünstiger Brandschutz-konzepte getroffen, die zwar zweckdienlich sind, aber im Hinblick auf die von Architekten und Bau-ingenieuren angestrebte Gesamtfinanzierung doch nur begrenzt Vorteile bieten. Üblicherweise verläuft auch die Konzipierung der Brandsicherheit fragmentarisch und nicht als Prozeß, der nach einer optimalen Lösung sucht. Vereinfacht ausgedrückt ist die Vorgehensweise eher so:
Der Bauingenieur konzipiert die Tragfähigkeit der Stahlbauteile für den Normalfall ohne zu beachten, wie das Tragverhalten des Gesamttragwerks im Brandfall aussieht;
unabhängig davon bespricht der Architekt mit der Bauaufsicht, welche Feuerwiderstandszeiträume gemäß den vorgegebenen Normen einzuhalten sind, wählt aber häufig nicht ein bestimmtes Brandschutzkonzept aus;
der Bauunternehmer wählt anhand der Spezifikationen des Architekten dann ein Brandschutzkonzept unter Beachtung der vorgegebenen Feuerwiderstandszeiträume aus. Informationen über die Span-nungseigenschaften des verwendeten Stahls, die eventuell weniger aufwendige Brandschutzmaß-nahmen ermöglichen würden, stehen auf dieser Ebene häufig nicht zur Verfügung und können daher nicht genutzt werden.
Auch die Zuständigkeiten sind hier ganz eindeutig fragmentiert, was ebenfalls das Gegenteil des Ge-wünschten bewirken kann, wenn nämlich Schwierigkeiten auftreten. Ein anderer Ansatz ist daher erforder-lich, um den Prozeß insgesamt zu verbessern, die Auftragsvergabe voranzutreiben und optimale Lösungen zu erzielen. Es wäre in der Tat sehr wünschenswert, wenn die Möglichkeit der Lieferung eines Stahlrah-mens bestünde, der einer bestimmten Brandlast bei einem bestimmten Brandverhalten standhält und der gleichzeitig für den vorgesehenen Verwendungszweck optimal ausgelegt, konstruiert und gefertigt wurde.
Eine gute Projektierung würde das Verhalten der Stahlbauteile im Brandfall und im Normalfall berück-sichtigen, um die optimale Gesamtlösung zu finden. Die wichtigsten Wechselwirkungen und Faktoren, die als Variable bei der Ausarbeitung der optimalen Gesamtlösung eine Rolle spielen, sind folgende:
Spannungseigenschaften des Stahls;
Entwurfskonzept, das sowohl das Tragverhalten im Brandfall als auch unter normaler Belastung berücksichtigt;
Brandschutzkonzept, das die Robustheit und die Umweltverträglichkeit während der gesamten Lebensdauer des Bauwerks berücksichtigt. Die langfristigen Anforderungen an die Instandhaltung und die möglichen Schadensursachen während der gesamten Lebensdauer des Bauwerks sind zu bestimmen;
sorgfältige Konstruktionsplanung der Stahlstruktur, damit die erforderlichen Leistungsmerkmale mit einem minimalen Aufwand an Brandschutzmaßnahmen erfüllt werden können;
korrekte Beurteilung der Feuerwiderstandsfähigkeit, um die Bauvorschriften zu erfüllen. Kriterien hierfür sind unter anderem die Brandlast, die Belüftung, die Fluchtwege und die Brandbekämpfung;
auch der aktive Brandschutz kann hierbei berücksichtigt werden;
Auswahl an Entwürfen im Hinblick darauf, den Brandschaden so gering wie möglich zu halten und / oder die Sicherheit des menschlichen Lebens zu erhöhen;
Berücksichtigung der Tatsache, daß das Gesamttragwerk im Brandfall häufig ein günstigeres Tragverhalten aufweist als die Einzelbauteile, deren Feuerwiderstandsfähigkeit in Brandversuchen untersucht wurde.
Die Auswahl der optimalen Lösung hängt von dem spezifischen Entwurf des betreffenden Bauwerks und den Aspekten ab, die für dieses Bauwerk von Bedeutung sind. Die Qualitäts- und Kostenvorgaben sowie die Zusammenarbeit mit Architekten und Bauunternehmern sind ebenfalls sehr wichtige Aspekte. Ein vielseitiges Konstruktionsteam ist unerläßlich, will man im Hinblick auf die erforderliche Flexibilität und die Vorstellungen des Kunden die richtige Auswahl treffen.
Bei dem Entwurf und der Konstruktion von Stahlbauten kann die Brandschutztechnik dazu dienen, komplexe und ungewöhnliche Probleme zu lösen, aber natürlich spielen auch wirtschaftliche und sonstige Vorteile hier eine Rolle.
Es besteht kein Zweifel daran, daß die Ergebnisse der Brandversuche von Cardington einen ganz erheb-lichen Einfluß auf die Projektierung von Stahlbauten haben werden, und zwar sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeit unter Brandbelastung als auch unter normaler Belastung. Allerdings werden diese Ergeb-nisse noch nicht in vollem Umfange berücksichtigt, da der diesbezügliche Kenntnisstand noch nicht sehr verbreitet ist. Einige der wichtigsten Aspekte können indes als Teil der Risikobewertung insgesamt durchaus schon beachtet werden. Dies gilt vor allem für folgende Punkte:
Die deutlich geringeren Temperaturen, die an den Randträgern im Vergleich zu den Innenträgern entstehen;
die Erkenntnis, daß die Feuerwiderstandsfähigkeit eines Bauwerks, das in Verbundbauweise mit einem dauerhaften Stahlskelett errichtet wurde, deutlich höher ist, als die von Einzelbauteilen im Brandver-such.
Diese Aspekte sind bei einer Reihe von Gebäuden bereits berücksichtigt worden und werden inzwischen auch bei diversen Genehmigungsverfahren und unterschiedlichsten Bauvorhaben beachtet. Beispiele hierfür sind in London das Queensberry House, die HSBC Bank und das Bauvorhaben Project Bridge von SmithKline Beecham sowie in Leeds das Gebäude am City Square Nr. 1. Die genannten Aspekte werden hierbei noch eher zurückhaltend angewandt im Vergleich zu Bauvorhaben an anderen Orten in der Welt, aber dennoch bilden sie zur Zeit eine für das Vereinigte Königreich und andere Länder mit ähnlichen Gegebenheiten geeignete Grundlage.
Das Verhalten von Stahlbauten im Brandfall kann anhand vieler Faktoren und zahlreicher Verfahren vor-sichtig, aber dennoch zuverlässig beurteilt werden, trotz der Tatsache, daß zur Zeit noch keine umfas-sende und vollständig validierte Analyse des Brandverhaltens solcher Bauwerke unter hohen Tempera-turen vorliegt. Dennoch ist die Anwendung von Softwareprogrammen wie beispielsweise Vulcan nach wie vor recht nützlich, um Kenntnisse über das Verhalten von Bauwerken im Brandfall zu erlangen. Typische Ergebnisse einer solchen Analyse sind in Abbildung 1 zu sehen.
Abbildung 1 einfügen: Beispiel für eine mit Hilfe des Softwareprogramms Vulcan durchgeführte Analyse, die die Verbiegungen und Risse zeigt.
(Hinweis für den Redakteur: Die Abbildung kann auf Wunsch als Digitalbild zur Verfügung gestellt werden).
Kunde
Lowry Centre Trust
Brandschutzingenieur
Buro Happold FEDRA
Bauingenieur
Buro Happold
Architekt
Michael Wilford
Das Gebäude befindet sich an einem prominenten Standort in Salford und ist fast fertiggestellt. In den verschiedenen Bereichen des Gebäudes haben zahlreiche brandschutztechnische Aspekte Anwendung gefunden, zum Beispiel bei den Trägerelementen der Lowry Gallery. Um die in dieser Galerie verwendeten baulichen Brandschutzmaßnahmen überhaupt durchführen zu können, waren eine gründliche Bewertung des Tragverhaltens und der Belastungsverläufe erforderlich. Für dieses Gebäude bestand die Lösung in einer dreidimensionalen Verbundbauweise unter Verwendung von Stahl und Beton. Die wichtigsten Aspekte dieses Ansatzes waren folgende:
1. Die unverkleideten, geschoßhohen Stahlprofile tragen den weitgespannten Betonboden und begrenz-en die Durchbiegung und Schwingung des Bodens sowohl unter Brand- als auch unter normaler Be-lastung. Diese Stahlprofile müßten normalerweise mit einem Brandschutz überzogen werden, da sie im Brandfall als tragende Bauteile eine sehr wichtige Rolle spielen.
2. Im Brandfall sind die Aspekte der Durchbiegung und Schwingung nicht unbedingt entscheidend. Da-her wurden die Betonplatte und das innere Trägerystem so konstruiert, daß sie im Brandfall nur einer geringeren Belastung standhalten müssen, ohne Unterstützung durch die Stahlträger.
Auf diese Weise brauchen die Stahlträger brandschutztechnisch nicht berücksichtigt und auch nicht mit einem Brandschutz überzogen werden, denn die Leistungsfähigkeit des Bodens ist hiervon unabhängig. Alle redundanten Bauteile können, sofern sie alternative Belastungsverläufe bieten, ausführlicher betrach-tet werden, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß unter Brandbelastung viele tragende Bauteile nicht erforderlich sind, da dann die tatsächliche Belastung geringer ist. Im Ergebnis läßt sich also feststellen, daß nicht alle Stahlbauteile notwendigerweise brandschutztechnisch gesichert werden müssen, da sie die normalen Lasten tragen.
Abbildung 2 einfügen: Das Lowry Centre
(Hinweis für den Redakteur: Die Abbildung kann auf Wunsch als Digitalbild zur Verfügung gestellt werden).
Kunde
SmithKline Beecham
Projektleitung
MACE
Brandschutzingenieur
Buro Happold FEDRA
Bauingenieur
WSP
Architekt
RHWL
Dieses Bürogebäude im Westen von London, mit dessen Bau vor kurzem begonnen wurde, wird als Unternehmenszentrale für SmithKline Beecham im Vereinigten Königreich dienen. Das Konstruktionsteam verfügt über ausreichende Kenntnisse und genügend Flexibilität, um sich die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Brandschutztechnik zunutze zu machen. Die Baubehörde in Hounslow hat sich ausführlich mit dem Entwurf auseinandergesetzt und grundsätzlich anerkannt, daß eine alternative bautechnische Lösung zur Erlangung eines angemessenen Feuerwiderstands möglich ist. Die Universität Sheffield hat außerdem auf Grundlage ihrer erheblichen Erfahrungen mit den Cardington Tests zu einem erhöhten Ver-trauen im Konstruktionsprozeß beigetragen. Die besten Lösungen können daher nur durch die Zusam-menarbeit aller Parteien in dieser Weise gefunden werden. Insgesamt gesehen hat man einen eher her-kömmlichen Ansatz gewählt, so daß in diesem Fall der Nutzen aus den neuesten Erkenntnissen des bau-technischen Brandschutzes eher gering sind im Vergleich zu dem, was in Zukunft möglich sein wird, wenn die Ergebnisse der Brandversuche von Cardington erst einmal überall bekannt sind.
Das Hauptziel bei dieser Bauweise besteht darin, die Menge an schaumschichtbildendem Anstrich zu berechnen, der vor der Montage aufgebracht wird und erforderlich ist, um den Randträgern eine Feuer-widerstandsfähigkeit von zwei Stunden zu geben - unter Berücksichtigung des Verhaltens des gesamten Rahmens. Man beschloß, einen angemessenen Sicherheitszuschlag einzukalkulieren, da es sich hierbei um ein noch in der Entwicklung befindliches Verfahren handelt.
Bei diesem Bauvorhaben war man ferner der Ansicht, daß der größte Nutzen erzielt werden kann, wenn man sich auf die Randträger konzentriert, und zwar aus folgenden Gründen:
? Die Sicherheit und der Zugang sind im Bereich der Randträger schwieriger zu realisieren und daher ist das Auftragen eines schaumschichtbildenden Anstrichs vor der Montage in diesem Bereich von hohem Nutzen. Es ist dann nur noch erforderlich, die Bolzenköpfe zu streichen und Nachbesser-ungsarbeiten in geringem Umfang vorzunehmen. Behelfsbauten zur Sicherheit der Arbeiter verur-sachen nicht so hohe Kosten wie andere Lösungen.
? Es können Situationen entstehen, in denen Brandschutzmaßnahmen erst erfolgen, nachdem die Verkleidung angebracht worden ist. Hier besteht die Gefahr, daß die Verkleidung beschädigt wird. Durch das Auftragen des Schutzanstrichs vor der Montage wird dies weitestgehend verhindert.
Die Ziele sind somit zwar einfach, aber dennoch sehr wertvoll.
Schaumschichtbildende Anstriche können recht teuer werden, wenn drei oder vier Schichten erforderlich sind. Wenn jedoch die Dicke des Anstrichs verringert werden kann in Anbetracht des Verhaltens des gesamten Rahmens, und man den zusätzlichen Nutzen berücksichtigt, wird diese Lösung eher realisier-bar. Ein aus ein bis zwei Schichten bestehender Anstrich scheint hier ein optimaler Kompromiß zu sein.
Allerdings bestehen hierbei folgende Unsicherheiten:
Das Verfahren ist relativ neu;
die Verwendung der von den Ingenieuren vorgegebenen Daten und der Analyseergebnisse hat mit großer Sorgfalt zu geschehen, und zwar auf der Grundlage eines sicheren, bautechnischen Urteils-vermögens und alternativer Prüfverfahren, um dafür zu sorgen, daß die Software tatsächlich sach-gemäß eingesetzt wird und die Ergebnisse richtig interpretiert werden. Dies trifft natürlich auf alle bautechnischen Analysen zu, besonders aber in diesem Fall.
Für die wichtigsten Aspekte der Risikobewertung sind folgende Punkte zu beachten:
Die Dicke des schaumschichtbildenden Anstrichs ist anhand einer Reihe von Methoden zu berechnen, um bei der Gesamtberechnung Sicherheit zu haben. Hierzu zählten auch die Anwendung der Vulcan-Software und der Finite-Elemente-Methode.
Vorhandensein von Sprinkleranlagen, die erst dann versagen dürfen, bevor die Leistungsfähigkeit der Stahlträger erheblich beeinträchtigt wird.
Anmerkungen der Sheffield University.
Ein natürlicher Brand ist sehr wahrscheinlich von wesentlich geringerer Dauer als ein Brand unter Normbedingungen, und zwar aufgrund der relativ großen Mengen an Sauerstoff. Der schaum-schichtbildende Anstrich der Stahlbauteile würde im Brandfall dafür sorgen, daß ein frühes, schnelles Ansteigen der Temperatur, wie es bei einem natürlichen Feuer vorkommen kann, hier unerheblich ist.
Die Temperatur der Randträger ist weitaus geringer als die der Innenträger, was durch die Brand-versuche von Cardington und anhand von unabhängigen Berechnungen gezeigt wurde.
Insgesamt resultiert dies in einer Verbesserung des Entwurfs und der Konstruktion sowie in einer Wertsteigerung. Dieses Beispiel gewährt nur einen kleinen Einblick in die Richtung der zukünftigen Entwicklungen.
Abbildung 3 einfügen: Project Bridge
(Hinweis für den Redakteur: Die Abbildung kann auf Wunsch als Digitalbild zur Verfügung gestellt werden).
Brandschutzingenieur
Buro Happold FEDRA
Architekt
Michael Hopkins und Partner
Die aktuellen Bauvorhaben von IBM in Bedfont Lakes und von DSS in Longbenton (im Nordosten Englands) sind Beispiele für die externe Verwendung ungeschützter Stahlbauteile, die in den vertikalen Flächen der Bauwerke montiert werden. Es handelt sich hierbei um Entwürfe für Stahlbauten unter Be-achtung der Parameter eines natürlichen Brandes, der eine thermische und bautechnische Analyse des Bauwerks erforderlich macht, um die Tragfähigkeit unter Belastung zu bestimmen. Bei dieser Art von Brandszenario ergeben sich aus dem zusätzlichen Gewicht der Stahlbauteile zwei Vorteile, die auf folgenden Fakten beruhen:
Geringere Spannungen des Stahls ergeben eine höhere Feuerwiderstandsfähigkeit;
schwerere Stahlbauteile erhitzen sich langsamer.
Abbildung 4 einfügen: Bauvorhaben von IBM in Bedfont Lakes
(Hinweis für den Redakteur: Die Abbildung kann auf Wunsch als Digitalbild zur Verfügung gestellt werden).
In dem Maße, wie die Brandsschutztechnik bei Stahlbauten immer selbstverständlicher wird und der Trend hin zur einfacheren Beschaffung aus einer Hand fortschreitet, wird es für die Stahlindustrie immer wich-tiger, darüber nachzudenken, wie Stahl beschafft und zu den Baustellen geliefert wird.
