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DASt Forschungspreis 2016

Mehr Sicherheit im Brandfall für filigrane Zugglieder durch Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme

Abb.: Dustin Häßler

Laudatio
Die architektonischen Vorteile von kreisrunden Stahlzuggliedern sind jetzt auch bei Brandschutzanforderungen nutzbar. Brandschutzbeschichtungen bilden bei Brandeinwirkung eine Schutzschicht. Die Erwärmung wird dadurch verzögert und eine ausreichende Feuerwiderstandsdauer sichergestellt. Die geringe Schichtdicke beeinflusst dabei das optische Erscheinungsbild kaum.

Gestützt auf Brandprüfungen mit mechanischer Zugbeanspruchung und numerische Simulationsberechnungen wurde der Nachweis erbracht, dass Brandschutzbeschichtungen zum Brandschutz von filigranen Zuggliedern geeignet sind. Auch wurden Grundlagen zur Erlangung einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung von Brandschutzbeschichtungen auf kreisrunden Stahlzuggliedern geschaffen.

Die aktuelle Fragestellung der Wirksamkeit von Brandschutzbeschichtungen bei kreisrunden Zuggliedern wurde konsequent erforscht und für die Stahlbauweise sehr vorteilhafte Ergebnisse erzielt.

Die Jury

 

Erläuterung durch Dustin Häßler:

Mehr Sicherheit im Brandfall für filigrane Zugglieder durch Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme
Im Bauwesen werden Zugglieder aus Stahl in der Regel für Aussteifungsverbände, Abhängungen sowie als Unterspannung von Trägern eingesetzt. Um ein ästhetisch und architektonisch ansprechendes Erscheinungsbild der Tragkonstruktion zu erzielen, werden als Zugglieder oftmals filigrane Kreisvollprofile verwendet. Übernehmen Zugglieder in einem Tragwerk existentielle Funktionen, beispielsweise die Aufrechterhaltung der Gesamtstabilität der Konstruktion, kann deren Versagen im Brandfall schnell zu kritischen Situationen für die Standsicherheit führen. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine  Umlagerung der Kräfte innerhalb der Konstruktion nicht möglich ist und das Tragwerk über keine Redundanzen verfügt. Im Brandfall ist zudem die Ausdehnung der Bauteile bzw. der Konstruktion zu berücksichtigen. Diese können sich ebenfalls auf die Stabilität der Gesamtkonstruktion auswirken. Um eine ausreichende Feuerwiderstandsdauer der Stahlzugglieder sicherzustellen sind Schutzmaßnahmen für den Brandfall unverzichtbar.

Zum Schutz von Stahlkonstruktionen vor Brandeinwirkung und der daraus resultierenden rapiden Erwärmung des Stahls werden vermehrt reaktive Brandschutzsysteme (RBS) eingesetzt. Diese erlauben aufgrund der relativ geringen Beschichtungsdicken das optische Erscheinungsbild der Konstruktionen aufrechtzuerhalten. Im Brandfall bildet das RBS durch Aufschäumen eine thermische Schutzschicht um das Stahlbauteil aus. Die Schutzschicht verzögert die Erwärmung des Stahls. Der durch Erwärmung einsetzende Festigkeitsverlust des Stahls wird verlangsamt und die Tragfähigkeit des Bauteils bleibt länger erhalten.

Bei RBS handelt es sich um nicht geregelte Bauprodukte. Die Anwendung dieser Produkte ist daher durch Zulassungen geregelt, z.B. allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen (abZ) oder europäische technische Bewertungen (ETB). Für die Erteilung einer Zulassung dieser Systeme auf zugbeanspruchten Vollprofilen lagen bisher keine ausreichenden Kenntnisse zu deren Verhalten vor. Einheitliche Regelungen zur Prüfung und Bewertung von Stahlzuggliedern mit RBS gab es bisher ebenfalls nicht.

Aufgrund der ausgeprägten Oberflächenkrümmung stellen die für Zugglieder häufig verwendeten filigranen Kreisvollprofile besonders hohe Anforderungen an das RBS. Folglich sind die zum Erreichen der geforderten Feuerwiderstandsdauer erforderlichen Trockenschichtdicken für RBS bei diesen Stahlzuggliedern wesentlich größer als bei Trägern oder Stützen mit offenem oder geschlossenem Profil. Eine Anwendung von RBS auf Zuggliedern mit Vollprofil war bisher nur projektbezogen durch eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) möglich.

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Abb.: Dustin Häßler 

Im Rahmen der hier vorgestellten Forschungsarbeit wurde das Verhalten von RBS auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil mit Hilfe von zahlreichen Brandprüfungen im Realmaßstab, Materialuntersuchungen des verwendeten Blankstahls sowie numerischen Simulationen untersucht. In den Brandversuchen wurde das Aufschäum- und Rissverhalten sowie die thermische Schutzwirkung des RBS analysiert und die maßgebenden Versagensmechanismen identifiziert. Ferner konnte der Einfluss der Profilgeometrie, Trockenschichtdicke der Beschichtung, Höhe der aufgebrachten Zugbeanspruchung sowie Orientierungsrichtung der Zugglieder auf die thermische Schutzwirkung des RBS bestimmt werden. Da sich RBS aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung hinsichtlich der erforderlichen Trockenschichtdicke, Höhe und Struktur der Aufschäumung, thermischen Schutzwirkung sowie Rissbildung und Rissheilungsvermögen unterscheiden und sich das Verhalten der Systeme kaum vorhersagen lässt, ist durch produktbezogene Brandprüfungen die Wirksamkeit für Grenzfälle des vom Hersteller definierten Anwendungsbereiches nachzuweisen.

Zusätzlich zu den Brandversuchen wurden Materialuntersuchungen des für die Zugglieder häufig verwendeten Stahls der Festigkeitsklasse S355 durchgeführt. Diese waren erforderlich, weil für filigrane Stahlzugglieder mit Vollprofil in der Regel gezogener, kaltverformter Blankstahl eingesetzt wird. Für diesen Stahl sind in der Normung und der Literatur keine mechanischen Hochtemperatureigenschaften angegeben. Selbige sind jedoch erforderlich, um eine Heißbemessung der Zugglieder durchführen und die Tragfähigkeit der Bauteile im Brandfall nachweisen zu können.

Die Materialkennwerte werden zudem für die Erstellung eines auf der Finite-Elemente-Methode basierenden Bemessungsmodells benötigt. Die Materialuntersuchungen haben ergeben, dass sich der eingesetzte gezogene, kaltverformte Blankstahl im Hochtemperaturbereich anders verhält als der typischerweise für Träger- und Stützenprofile verwendete warmgewalzte Baustahl. Beispielsweise besitzt Blankstahl aufgrund der Kaltverformung beim Herstellungsprozess gegenüber warmgewalzten Baustahl andere temperaturabhängige Abminderungsfaktoren für die Stahlfestigkeit sowie einen höheren 
Wärmeausdehnungskoeffizient. In der Forschungsarbeit sind für gezogenen, kaltverformten Blankstahl erstmals Materialkennwerte für den Hochtemperaturbereich angegeben. In Kombination mit Temperatur-daten aus Brandversuchen konnte das Trag- und Verformungsverhalten der untersuchten Zugglieder im numerischen Bemessungsmodell in guter Übereinstimmung zur Brandprüfung berechnet werden.

Die im Rahmen der Forschungsarbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass eine Anwendung von RBS auf Stahlzuggliedern mit filigranem Vollprofil grundsätzlich möglich ist. Die Forschungsergebnisse belegen, dass auf kreisrunden, zugbeanspruchten Stahlprofilen das aufgebrachte RBS aufgrund der notwendigen dreidimensionalen Ausdehnungsrichtung, d.h. Dickenrichtung des RBS, Stabumfangs- sowie Stablängsrichtung, der höchstmöglichen Beanspruchung ausgesetzt ist. Zuverlässige Aussagen zur Feuerwiderstandsdauer von Stahlzuggliedern mit reaktiver Brandschutzbeschichtung können daher einzig durch Brandprüfungen mit mechanischer Zugbeanspruchung getroffen werden.

Empfehlungen zur Durchführung, Auswertung und Beurteilung dieser Versuche sind in der Forschungsarbeit beschrieben. Mit Hilfe von Leistungskriterien zur Bestimmung der Tragfähigkeit, welche ebenfalls im Rahmen der Arbeit entwickelt wurden, lassen sich die in Brandversuchen getesteten Stahlzugglieder mit RBS in die entsprechenden Feuerwiderstandsklassen einordnen.

Die Forschungsergebnisse bilden die Grundlage für Zulassungsgrundsätze zur Erlangung einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung (abZ), welche die Verwendbarkeit von RBS auf filigranen, kreisrunden Stahlzuggliedern nachweist. Die Erweiterung des Anwendungsbereiches von RBS auf genannte Bauteile ist dadurch ermöglicht.

Im November 2015 wurde vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) die erste allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für ein reaktives Brandschutzsystem (RBS) zur Anwendung auf filigranen Stahlzuggliedern mit Kreisvollprofil erteilt. Für den Stahlbau bietet sich nunmehr die Möglichkeit auf einfache, sichere und kostengünstige Art die Brandschutzanforderungen für filigrane Zugglieder sicherzustellen und dabei das architektonische Erscheinungsbild der Konstruktion beizubehalten. Bei Mauerwerksbauten mit Bögen und Gewölben sowie Holztragwerken mit Unterspannungen eröffnen sich für deren filigranen Zugglieder ebenfalls Verbesserungsmöglichkeiten der Standsicherheit für den Brandfall.

Die Erkenntnisse aus der Forschungsarbeit, welche bereits in zahlreichen Publikationen veröffentlicht wurden, finden darüber hinaus Eingang bei der Entwicklung einer europäischen (CEN) sowie internationalen (ISO) Norm zur Prüfung und Bewertung von RBS auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil.

Mit der vorgestellten Forschungsarbeit konnte der Anwendungsbereich von RBS auf filigrane Zugglieder mit Vollprofil erweitert werden. Der durch eine entsprechende Zulassung geregelte Einsatz dieser Systeme beschränkt sich derzeit auf Stähle der Festigkeit S235 und S355. Da in der Regel für Zugstabsysteme Stähle mit höherer Festigkeit sowie spezielle Anschlussbauteile, d.h. Gabelstücke aus Stahlguss oder Gusseisen, verwendet werden, bedarf es für die Anwendung von RBS auf diesen Bauteilen weiterhin einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE). Untersuchungen, welche sich mit den vorgenannten Problemen beschäftigen und eine Erweiterung der bestehenden Zulassungsregelungen zum Ziel haben, sind in Arbeit.

 

Dissertation
Dustin Häßler

Leibniz Universität Hannover
betreut durch

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann
Leibniz Universität Hannover, Institut für Stahlbau

und

Dr.-Ing. Sascha Hothan
Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM)