Brandbeanspruchung

Die hier vorgeschlagene Brandbemessung wurde von A. Frangi in [1] beschrieben und basiert auf der Bemessungsmethode mit reduziertem Querschnitt gemäß EN 1995-1-2 [2]. Dabei spielt der zeitliche Verlauf des Abbrandes eine wesentliche Rolle. Die Abbrandtiefe d_char ist abhängig von der Abbrandrate β (mit / ohne Fugen), der Art des verwendeten Klebstoffs (hochtemperaturbeständig / nicht hochtemperaturbeständig) sowie vom Vorhandensein einer Brandschutzschicht.

Die Abbrandraten werden wie folgt festgelegt:

• Brettsperrholz ohne Fugen bzw. mit Fugen bis 2 mm: β = 0,65 mm/min
• Brettsperrholz mit Fugen bis 6 mm: β = 0,80 mm/min

In Abb. 1 ist die Abbrandtiefe in Abhängigkeit der Branddauer für verschiedene Situationen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass ab Versagen der Brandschutzschicht bis zum Aufbau der schützenden Holzkohleschicht die doppelte Abbrandgeschwindigkeit auftritt. Das selbe Phänomen tritt auch bei Verwendung von nicht hochtemperaturbeständigen Klebern auf, da bei Brandprüfungen an BSP-Deckenelementen [3] (nicht jedoch bei Wandelementen) ein Abfallen der schützenden Holzkohleschicht beobachtet werden konnte.

Abb. 1: Abbrandtiefe in Abhängigkeit der Branddauer und der Art des Klebstoffes sowie der Verfügbarkeit einer Brandschutzschicht

Die Definitionen für den reduzierten Querschnitt sind der Abb. 2 zu entnehmen. Die Querschnittshöhe reduziert sich um die effektive Abbrandtiefe d_ef, die sich wiederum aus der Abbrandtiefe d_char sowie einer zeitabhängigen Schichtdicke (k₀ · d₀) zur Berücksichtigung des Einflusses der Temperatureinwirkung auf die Materialeigenschaften zusammensetzt (siehe Glg. \eqref{eq:eqn_def}).

Abb. 2: Definitionen für den reduzierten Querschnitt

\begin{equation} \label{eq:eqn_dchar} {d_{{\text{char}}}} = \beta \cdot t \end{equation}

\begin{equation} \label{eq:eqn_def} {d_{{\text{ef}}}} = {d_{{\text{char}}}} + {k_\text{0}} \cdot {d_\text{0}} \end{equation}

\begin{equation} \label{eq:eqn_k0} {k_\text{0}} = \min \left\{ {\matrix{ {t/20} \cr {1,0} \cr } } \right. \end{equation}

Bei Verwendung der Bemessungsmethode mit reduziertem Querschnitt können die Nachweise im Brandfall analog zur Kaltbemessung erfolgen. Da es sich um eine außergewöhnliche Bemessungssituation handelt, dürfen jedoch die 20 %-Fraktilwerte der Festigkeiten (siehe Glg. \eqref{eq:eqn_fd_fi} und \eqref{eq:eqn_f20}) sowie der Modifikationsbeiwert k_mod,fi und der Teilsicherheitsbeiwert γ_M,fi herangezogen werden.

\begin{equation} \label{eq:eqn_fd_fi} {f_\text{d,fi}} = {k_\text{mod,fi}} \cdot {{{f_\text{20}}} \over {{\gamma _\text{M,fi}}}} \end{equation}

\begin{equation} \label{eq:eqn_f20} {f_\text{20}} = {k_\text{fi}} \cdot {f_\text{k}} \end{equation}

mit k_mod,fi = 1,0, γ_M,fi = 1,0 und k_fi = 1,15.

Für $t_\text{ch} \le t \le t_\text{f}$ sollte die Abbrandrate $\beta$ mit dem Faktor $k_\text{2}$ nach Glg. \eqref{eq:eqn_k2} multipliziert werden.

\begin{equation} \label{eq:eqn_k2} k_\text{2} = 1 - 0,018 \cdot h_\text{p} \end{equation}

Wenn die Bekleidung aus mehreren Lagen Gipsplatten Typ F besteht, sollte für $h_\text{p}$ die Dicke der inneren Lage eingesetzt werden.

Für Brandschutzbekleidungen mit Steinwolleplatten (Mindestdicke 20 mm, Mindestrohdichte 26 kg/m³, Schmelzpunkt T ≥ 1000 °C) darf $k_2$ der Tab. 1 entnommen werden. Für Dicken zwischen 20 mm und 45 mm dürfen die Werte linear interpoliert werden.

Für den Zeitraum $t_\text{f} \le t \le t_\text{a}$ nach dem Versagen der Brandschutzbekleidung sollte die Abbrandrate mit dem Faktor $k_\text{3}$ = 2 multipliziert werden.

Das Zeitlimit $t_\text{a}$ sollte für $t_\text{ch} = t_\text{f}$ aus

\begin{equation} \label{eq:eqn_ta_fuer_tch=tf} {t_\text{a}} = \min \left\{ {\matrix{ {2 \cdot {t_\text{f}}} \cr {{{25} \over {{k_3} \cdot {\beta _\text{n}}}} + {t_\text{f}}} \cr } } \right. \end{equation}

oder für $t_\text{ch} < t_\text{f}$ aus

\begin{equation} \label{eq:eqn_ta_fuer_tch<tf} {t_\text{a}} = {{25 - \left( {{t_\text{f}} - {t_\text{ch}}} \right) \cdot {k_2} \cdot {\beta _\text{n}}} \over {{k_3} \cdot {\beta _\text{n}}}} + {t_\text{f}} \end{equation}

berechnet werden.

Für Bekleidungen aus einer oder mehreren Lagen Holzbekleidungen oder Holzwerkstoffplatten, sollte der Beginn des Abbrandes $t_\text{ch}$ des geschützten Bauteils nach Glg. \eqref{eq:eqn_tch_Holzwerkstoff} mit $\beta_\text{0}$ nach Tab. 2 berechnet werden.

\begin{equation} \label{eq:eqn_tch_Holzwerkstoff} t_\text{ch} = {{h_\text{p}} \over {\beta_\text{0}}} \end{equation}

Die in Tab. 2 angegebenen Werte für Holzwerkstoffplatten gelten für eine charakteristische Rohdichte von 450 kg/m³ und eine Werkstoffdicke von 20 mm. Für Werkstoffdicken $h_\text{p}$ kleiner als 20 mm und andere Rohdichten $\rho_\text{k}$ sollte die Abbrandrate nach Glg. \eqref{eq:eqn_beta_0_rho_t} berechnet werden.

\begin{equation} \label{eq:eqn_beta_0_rho_t} \beta _{\text{0},\rho ,\text{t}} = \beta _0 \cdot k_{\rho} \cdot k_\text{h} \end{equation}

\begin{equation} \label{eq:eqn_k_rho} {k_\rho } = \sqrt {{{450} \over {{\rho _\text{k}}}}} \end{equation}

\begin{equation} \label{eq:eqn_k_h} {k_\text{h}} = \sqrt {{{20} \over {{h_\text{p}}}}} \end{equation}

Für Bekleidungen aus einer Lage Gipsplatten von Typ A oder H nach EN 520 ist der Beginn des Abbrandes $t_\text{ch}$ außerhalb von Stößen oder im Bereich von verspachtelten Stößen oder offenen Stößen mit einer Breite von ≤ 2 mm lt. EN 1996-1-2 nach Glg. \eqref{eq:eqn_tch_GK_Typ_A} anzunehmen.

\begin{equation} \label{eq:eqn_tch_GK_Typ_A} t_\text{ch} = 2,8 \cdot h_\text{p} - 14 \end{equation}

An Stellen im Bereich von offenen Stößen mit einer Breite von > 2 mm sollte der Beginn des Abbrandes nach Glg. \eqref{eq:eqn_tch_GK_Typ_A_mit_Fugen} ermittelt werden.

\begin{equation} \label{eq:eqn_tch_GK_Typ_A_mit_Fugen} t_\text{ch} = 2,8 \cdot h_\text{p} - 23 \end{equation}

Für Bekleidungen aus zwei Lagen Gipsplatten, Typ A oder H, sollte der Beginn des Abbrandes $t_\text{ch}$ nach Glg. \eqref{eq:eqn_tch_GK_Typ_A} bestimmt werden, wobei die Dicke $h_\text{p}$ der Dicke der äußeren Lage und 50 % der Dicke der inneren Lage entspricht, vorausgesetzt, dass der Abstand der Verbindungsmittel der inneren Lage nicht größer ist als der Abstand der Verbindungsmittel der äußeren Lage.

Für Bekleidungen aus einer Lage Gipsplatten von Typ F nach EN 520 ist der Beginn des Abbrandes $t_\text{ch}$ nach Glg. \eqref{eq:eqn_tch_GK_Typ_A} bzw. Glg. \eqref{eq:eqn_tch_GK_Typ_A_mit_Fugen} zu bestimmen.

Für Bekleidungen aus zwei Lagen Gipsplatten, Typ F, sollte der Beginn des Abbrandes $t_\text{ch}$ nach Glg. \eqref{eq:eqn_tch_GK_Typ_A} bestimmt werden, wobei die Dicke $h_\text{p}$ der Dicke der äußeren Lage und 80 % der Dicke der inneren Lage entspricht, vorausgesetzt, dass der Abstand der Verbindungsmittel der inneren Lage nicht größer ist als der Abstand der Verbindungsmittel der äußeren Lage.

Für Brandschutzbekleidungen aus Holzwerkstoffplatten oder Gipsplatten Typ A oder H gemäß ÖNORM EN 520 [7] wird die Versagenszeit t_f mit dem Beginn des Abbrandes der Holzkonstruktion t_ch gleichgesetzt.

\begin{equation} \label{eq:eqn_tf=tch} t_\text{f} = t_\text{ch} \end{equation}

Für Bekleidungen aus Gipsplatten Typ F kann nach ÖNORM B 1995-1-2 [8] die Versagenszeit $t_\text{f}$ für Wände nach Glg. \eqref{eq:eqn_tf_Typ_F_Wand} und für Decken nach Glg. \eqref{eq:eqn_tf_Typ_F_Decke} berechnet werden.

\begin{equation} \label{eq:eqn_tf_Typ_F_Wand} t_\text{f} = 2,2 \cdot h_\text{p} + 4 \end{equation}

\begin{equation} \label{eq:eqn_tf_Typ_F_Decke} t_\text{f} = 1,4 \cdot h_\text{p} + 6 \end{equation}