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Die Feuerwiderstandsdauer von ungeschützten Stahlbauteilen lässt sich durch den Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) signifikant erhöhen. Durch den profilfolgenden Auftrag der Brandschutzbeschichtung und die hierfür erforderlichen geringen Trockenschichtdicken, welche in der Regel nur wenige Millimeter betragen, können neben den brandschutztechnischen Anforderungen auch die an die Stahlkonstruktion gestellten gestalterischen Ansprüche erfüllt werden. Kommt es zu einem Brand, schäumt das reaktive Brandschutzsystem auf und bildet eine thermische Schutzschicht um das Stahlbauteil aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der Festigkeitsverlust infolge Temperatur wird verzögert. Die Verwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Stahlbauteilen wird durch Zulassungen geregelt. In Bezug auf den durch die Zulassung geregelten Anwendungsbereich von reaktiven Brandschutzsystemen auf zugbeanspruchten Stahlbauteilen haben sich in den vergangenen Jahren verschiedene Änderungen ergeben. Der nachfolgende Beitrag gibt hierzu einen aktuellen Überblick und beschreibt die Hintergründe, welche zu den neuen Regelungen geführt haben. Ferner erfolgt in diesem Zusammenhang ein Ausblick auf noch zu untersuchende Fragestellungen, welche bisher noch nicht durch die Regelungen in den Zulassungen abgedeckt werden. Bei den nachfolgenden Ausführungen handelt es sich um einen Auszug des Beitrages für die 18. EIPOS-Sachverständigentage Brandschutz.
Über die Entwicklung von Anwendungsregeln für reaktive Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern
(2014)
Der vorliegende Beitrag stellt den Entwicklungsstand von Anwendungsregeln für reaktive Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern zusammenfassend dar. Dabei wird insbesondere auf die jüngsten Veränderungen in den normativen Grundlagen und bauaufsichtlichen Regelungen eingegangen und im Hinblick auf Sicherheitsaspekte bewertet.
Die Verringerung der Teilsicherheit für den Bauteilwiderstand nicht stabilitätsgefährdeter Bauteile im Regelwerk für die Kaltbemessung von Stahltragwerken ist hier als besonders kritisch anzusehen, da hierdurch ein systematisches Sicherheitsdefizit für den Brandfall verursacht wird.
Weiterhin werden neuste Forschungsergebnisse bei der Entwicklung von Bewertungsregeln von reaktiven Brandschutzsystemen auf Vollkreisprofilen unter Zugbeanspruchung vorgestellt und diskutiert. Die Untersuchungen behandeln die Fragestellung, inwieweit Prüfungen mit Zugbeanspruchungen an Kreisvollprofilen erforderlich sein werden.
Reaktive Brandschutzsysteme werden in zunehmendem Maße zum Schutz von sichtbaren Stahlkonstruktionen eingesetzt, weil mit den relativ geringen Beschichtungsdicken das architektonische Erscheinungsbild der Konstruktionen erhalten bleibt. Die Verwendbarkeit der Systeme wird durch nationale und europäische technische Zulassungen geregelt. Die Zulassungen erlauben eine Anwendung auf zugbeanspruchten Bauteilen nur unter Einschränkungen. Eine Verwendung der Systeme auf Zuggliedern mit Vollquerschnitt ist derzeit nicht abgedeckt. Dieser Beitrag beschreibt die aktuelle Situation zur Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme und erläutert die physikalisch-technischen Hintergründe. Ferner wird anhand eines Beispiels außerhalb des Anwendungsbereiches der Zulassungen gezeigt, wie eine Anwendung auf Zuggliedern mit rundem Vollquerschnitt im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall ermöglicht werden kann. In einem weiteren Abschnitt werden die jüngsten Forschungsergebnisse aus einem durch das Deutsche Institut für Bautechnik geförderten und durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung bearbeiteten Vorhabens vorgestellt. Das Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel, eine Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme auf Zuggliedern mit Vollquerschnitten auf Grundlage von Zulassungen allgemein zu ermöglichen.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The application of intumescent coatings for fire protection of steel constructions is increasing. Thanks to the relative thin thickness of the coatings, the typical visual appearance of the structures can be preserved. The applicability of the systems is regulated by the national German as well as European technical approvals. According to the approvals, the application on steel members in tension is only allowed with limitations. Especially, the application on solid steel rods in tension is currently not yet covered. This contribution first explains the actual state of the art of the application of reactive fire protection systems to steel structures. Technical background information is provided. Furthermore, a case study is presented in order to illustrate the limitations in the scope of the approvals and a possible approach to allow the application of intumescent coatings on solid steel rods via an approval for a specific construction project. After that, the latest scientific results of a research project funded by the German National Institute of Building Technology (DIBt) and conducted by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) are described. The objective of the project is to enable the application of intumescent coatings on solid steel rods in tension within the scope of approvals in general.
Im Stahlbau wird die feuerwiderstandserhöhende Wirkung reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) bereits seit Jahrzehnten erfolgreich und mit stetig wachsender Nachfrage genutzt. Die Anwendung dieser Systeme wird durch Zulassungen geregelt. Die Ermittlung des Beitrages reaktiver Brandschutzsysteme zur Feuerwiderstandsdauer von Stahlbauteilen wird in der Regel mit Hilfe von mechanisch belasteten und unbelasteten Brandversuchen beurteilt. Ein entsprechendes Prüf- und Bewertungsverfahren war bisher für Träger und Stützen, jedoch nicht für Zugglieder vorhanden. Mehrjährige Forschungen, haben in Deutschland zur Entwicklung eines neuen Prüf- und Bewertungsverfahrens geführt, so dass der durch Zulassungen geregelte Anwendungsbereich reaktiver Brandschutzsysteme auf filigrane Stahlzugglieder, insbesondere mit Vollprofil, erweitert werden konnte. Der Beitrag beschreibt die Besonderheiten und Herausforderungen für den Einsatz von reaktiven Brandschutzsystemen auf filigranen Stahlzuggliedern, die wesentlichen Einflussparameter sowie die maßgebenden Versagensmechanismen. Ferner wird gezeigt, wie anhand von Brandversuchen, Materialuntersuchungen im Hochtemperaturbereich und numerischen Simulationen das neue Prüf- und Bewertungsverfahren entwickelt, validiert und angewendet wurde. Abschließend erfolgt ein Ausblick auf noch zu untersuchende Fragestellungen, z. B. hinsichtlich der Bauteilorientierung sowie zum Umgang mit den Anschlussbauteilen von Stahlzuggliedern.
Im Bauwesen werden Zugglieder aus Stahl in der Regel für Aussteifungsverbände, Abhängungen und Unterspannungen von Trägern verwendet. Die dafür verbauten, meist kreisförmigen Vollprofile dienen häufig der Stabilisierung des Tragwerks. Ein Versagen der Stahlzugglieder kann zu einem Einsturz der gesamten Konstruktion führen.
Unter Brandeinwirkung verlieren ungeschützte Stahlkonstruktionen aufgrund der schnellen Erwärmung frühzeitig ihre Tragfähigkeit. Durch den Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlbauteilen kann deren Erwärmung verlangsamt und dadurch der Feuerwiderstand verbessert werden. Die Optik der oftmals filigranen Stahlzugglieder bleibt dabei im Wesentlichen unverändert.
Für die Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit Vollquerschnitt gibt es derzeit in den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen keine Regelungen. Die an der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen [35] sowie die darauf aufbauenden Erkenntnisse dieser Dissertation hinsichtlich des Verhaltens reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil bilden die Grundlage für eine Erweiterung des Anwendungsbereiches dieser Produkte. Eine Anwendung ist grundsätzlich möglich. Aufgrund der meist für Zugglieder eingesetzten filigranen Vollquerschnitte sowie der in Bezug auf die Tragfähigkeit fehlenden Umlagerungsmöglichkeit werden besonders hohe Anforderungen an die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit von reaktiven Brandschutzsystemen gestellt. Anhand der Ergebnisse aus den Brandversuchen sowie theoretischer Betrachtungen ist festzustellen, dass das auf kreisförmigen, zugbeanspruchten Stahlprofilen aufgebrachte reaktive Brandschutzsystem aufgrund der notwendigen dreidimensionalen Ausdehnungsrichtung der höchst möglichen Beanspruchung ausgesetzt ist. Mit Hilfe von Leistungskriterien zur Bestimmung der Tragfähigkeit, welche im Rahmen der Dissertation entwickelt wurden, lassen sich die in Brandversuchen unter axialer Zugbeanspruchung getesteten Stahlzugglieder mit reaktiver Brandschutzbeschichtung in Feuerwiderstandsklassen einordnen.
Für die Beurteilung der thermischen Schutzwirkung des reaktiven Brandschutzsystems werden die Erwärmungsgeschwindigkeit, die maximale Stahltemperatur sowie die Rissbildung und das Rissheilungsvermögen der Beschichtung herangezogen. Die Brandversuche haben gezeigt, dass die Profilgeometrie, die Höhe der Trockenschichtdicke der Beschichtung, die Höhe der aufgebrachten Zugbeanspruchung sowie die Orientierungsrichtung der Zugglieder einen wesentlichen Einfluss auf die thermische Schutzwirkung des reaktiven Brandschutzsystems ausüben. Zudem stehen diese Faktoren in gegenseitiger Wechselwirkung. Durch Abstimmung der genannten Einflussgrößen lässt sich die Wirkung der Brandschutzbeschichtung optimieren. Durch die Vielzahl an reaktiven Brandschutzsystemen und die in den Produkten variierende chemische Zusammensetzung ist deren Aufschäumverhalten und thermische Schutzwirkung sehr unterschiedlich und kaum vorhersagbar. Die Wirksamkeit des reaktiven Brandschutzsystems ist daher für Grenzfälle des vom Hersteller definierten Anwendungsbereichs durch Brandversuche zu überprüfen. Empfehlungen zur Durchführung dieser Versuche sind im Forschungsbericht [35] beschrieben.
Bei Verwendung von kaltverformtem Blankstahl für Stahlzugglieder mit Vollprofil sind andere Hochtemperatureigenschaften als bei dem typischerweise für Träger und Stützen eingesetzten warmgewalztem Baustahl zu berücksichtigen. Kaltverformter Blankstahl weist gegenüber herkömmlichem Baustahl einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient und andere temperaturabhängige Abminderungsfaktoren für die Stahlfestigkeit auf. Die in experimentellen Untersuchungen für Blankstahl ermittelten Materialeigenschaften können für die Heißbemessung von Zuggliedern mit Vollprofil aus entsprechendem Material verwendet werden. In Kombination mit Temperaturdaten aus Brandversuchen lässt sich mittels eines auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelten numerischen Berechnungsmodells das Trag- und Verformungsverhalten von Zuggliedern realitätsnah berechnen. Vergleiche zur Stablängsverformung von in Brandversuchen getesteten Zuggliedern zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus dem im Rahmen der Dissertation neu entwickelten Bemessungsmodell.
Um Stahlbauteile im Brandfall vor einer zu schnellen Erwärmung zu schützen, wird häufig auf reaktive Brandschutzsysteme (RBS) zurückgegriffen. Die Produkte eigenen sich besonders aufgrund der profilfolgenden Applikationsmöglichkeit und der vergleichsweise geringen Beschichtungsdicken. Bei einer Brandbeanspruchung schäumt das RBS auf und bildet eine thermische Schutzschicht um das Stahlprofil aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der temperaturbedingte Festigkeitsverlust verzögert, wodurch sich die Feuerwiderstandsdauer des Stahlbauteils verbessert. Aus Brandversuchen ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit von RBS auf Stahlprofilen mit gekrümmter Oberfläche meist schlechter ausfällt als bei vergleichbaren Bauteilen mit ebener Oberfläche. Zum Einfluss der Oberflächenkrümmung auf die thermische Schutzwirkung von RBS werden in dem folgenden Beitrag sowohl theoretische Hintergründe als auch die Ergebnisse aus Brandversuchen an kleinformatigen Probekörpern vorgestellt. Die systematischen Untersuchungen zeigen, dass mit zunehmender Oberflächenkrümmung die Leistungsfähigkeit des RBS tendenziell abnimmt. Bei der Beurteilung der thermischen Schutzwirkung eines RBS sollte die Oberflächenkrümmung eines Bauteils berücksichtigt werden. Die alleinige Fokussierung auf den Profilfaktor eines Stahlprofils ist im Allgemeinen nicht ausreichend. Die Untersuchungen bilden die Grundlage für die Entwicklung von Screening-Tests zur Beurteilung der Eignung von RBS für gekrümmte Oberflächen, wodurch eine Vorauswahl von Produkten für diesen Einsatzzweck ermöglicht wird.
Im Vortrag werden aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Prüfung und Bewertung reaktiver Brandschutzsysteme auf filigranen Stahlzuggliedern vorgestellt. Die Erkenntnisse eines kürzlich an der BAM abgeschlossenen Forschungsprojektes werden präsentiert und Prüfempfehlungen vorgeschlagen. Darüber hinaus werden zu diesem Thema die Entwicklungen der nationalen und internationalen Normung erläutert und diskutiert.