Prüfungsfragen

Definition: Stoffe brennen, wenn sie sich mit Sauerstoff verbinden lassen

Die Verbrennung ist ein chemischer Oxidationsprozess (Redoxreaktion) -> genauso wie die Korrosion von Stahl etc. (elektrische Spannungsreihe)

Reduktionsmittel ist: CxHx (wird oxidiert und geben Elektronen ab)

Oxidationsmittel ist: O2 (wird reduziert und nimmt Elektronen auf)

Ausgangsstoffe dabei sind: Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff.

Ergebnis:

• (1) Kohlenmonoxid, (2) Kohlendioxid, (3) Wasser, (4) Rauch, (5) Ruß -> Kohlenstoff + Sauerstoff / Wasserstofff + Sauerstoff

  
  

Je nach Aggregatszustand hat man Glut (Feststoffe wie Kohle); oder eine Flamme (Feststoffe (Holz); Flüssigkeiten (Benzin); Gase (Propan))

Für Brand werden drei Dinge benötigt: Brennstoff, Sauerstoff, Wärme -> wichtig: richtiges Mengenverhältnis!! ->Branddreieck

• Von der Menge des verfügbaren Sauerstoffes oder des Brennstoffes ist auch abhängig ob es ein ventilationsgesteuerter oder ein brandlastgesteuerter Brand ist

Bei Sauerstoffgehalt

• < 15%: Erlöschen (Ausnahmen: Butan bis 12% und Wasserstoff bis 5%)

• 21%: Normale Verbrennung

• >21%: gesteigerte Verbrennung

Je mehr Sauerstoff verfügbar ist, desto leichter die Entzündbarkeit und desto höher die Verbrennungsgeschwindigkeit (Bsp. Holzstaub/ Mehlstaub) -> Explosionsgefahr!

Reaktionsgeschwindigkeit

• Roll-over: Starker Temperaturanstieg nach Sauerstoffzufuhr

Der Begriff Explosion beinhaltet sowohl eine Deflagration, bei der die Druckwelle langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit, als auch eine Detonation, bei der die Druckwelle schneller ist als die Schallgeschwindigkeit. -> Überbegriff

Die Mischung wird explosiv, wenn der Stoff eine sehr große Oberfläche hat, sodass gleichzeitig mehr mit dem Sauerstoff reagieren kann, wie z.B. bei Mehl oder Holzstaub. Dann benötigt es nur noch die richtige Temperatur für Explosion -> Zündpunkt

• Delle weil in der Schwelbrandphase schon eine hohe Temperatur herrscht und die anderen Gegenstände im Raum schon ausgasen. Es benötigt aber genügend Gas/Rauch und eine hohe Tempertur (und Sauerstoff), damit das Feuer überspringt

• idealisierter Verlauf eines natürlichen Brandes

• dient als einheitliche Prüf- und Beurteilungsgrundlage nach DIN 4102-2 / DIN 1353-1 und macht dadurch materialunabhängige Vergleiche zwischen verschiedenen Baustoffen möglich

• weicht von realen Bränden ab im Bezug auf

  • Temperaturanstieg in der Erwärmungsphase -> günstiges Verhalten einiger Baustoffe werden nicht berücksichtigt

  • Abkühlphase des Brandes

• Außenbrandkurve verläuft die ersten 10 min wie ETK, bleibt dann bei 680°C aber konstant -> für raumabschließende Außenwände oder Balkone

• Hydro-Carbon-Brandkurve: Schnellerer und höherer Anstieg der Kurve

  • Anwendung: kleine Brände von Erdöl, Kraftfahrzeuge, Industrieanlagen

• abhängig von Brandlastermittlung

• ggf. lokaler Brand und daher begrenzte Fläche der Brandlast

• ungleichmäßige Temperaturverteilung

  
  

Anforderungen an den Brandschutz gibt es in Unterschiedlichen Sachgebieten, wie den Arbeitsschutzrecht oder dem Bauordnungsrecht.

An Bauprodukte und Bauarten werden in der Bauordnung, den Sonderbauordnungen und Sonderbaurichtlinien Anforderungen gestellt, die in der Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) weiter konkretisiert werden.

• Bauordnung als zentraler Gesetzestext zum Brandschutz.

  • Jedes Bundesland hat seine eigene Landesbauoordnung, die sich aber an der MBO der Bauministerkonferenz orientiert

    • MBO gilt für bauliche Anlagen und Bauprodukte aber auch für Grundstücke oder andere Einrichtungen.

      • D.h. hierin befinden sich Infos zu Gebäudeklassen, Nutzung und Bauart und den daraus resultierenden Baustoffklassen und Feuerwiderstandsklassen -> von Wänden, Decken, Dächern…; Anforderungen an Fluchtwege (in BW in der LBOAVO -> Ausführungsverordnung) .

      • Es gibt auch Vorschriften für Sonderbauten, die hier geregelt werden

        • geregelte S: Schulen, Pflegeheime, Hochhäuse

        • nicht geregelte S: Gebäude die nicht darunter fallen und spezielles Brandschutzkonzept benötigen

  • Nachweise des Funktionserhalts von Bauarten erfolgen nach MBO § 16a durch:

    • Technische Baubestimmung (TB)

    • allgemeine Bauartgenehmigung (aBG)

    • vorhabenbezogene Bauartgenehmigung (vBG)

    • allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis für die Bauart (abP)

    • Festlegung einer Unbedenklichkeit

MVVTB:

beachte: je nach zu erstellendem Konzept werden die schärfsten Vorgaben maßgebend.

Arbeitsschutzrichtlinie hat ggf. höhere Anforderungen als LBO, die ansonsten die Grundlage darstellt

MBO Sonderbauten:

An Sonderbauten können im Einzelfall zur Verwirklichung der allgemeinen Anforderungen nach § 3 Abs. 1 besondere Anforderungen gestellt werden. Erleichterung können gestattet werden, soweit es der Einhaltung von Vorschriften wegen besonderer Anforderungen nicht bedarf.

Für Sonderbauten gibt es zusätzliche Vorschriften wie die Versammlungsstättenverordnung/ die Beherbergungsstättenverordnung oder die Verkaufsstättenverordnung (geregelte Sonderbauten)

Alle anderen Sonderbauten werden als nicht geregelte Sonderbauten bezeichnet -> es gibt keine Sondervorschriften sondern nur das Standardbrandschutzkonzept der jeweiligen Landesbauordnung -> Bauaufsichtsbehörden stellen Anforderungen -> Planer erstellen das genehmigungsfähige Brandschutzkonzept

Bspe: Hochhäuser über 22 m, Schulen, Versammlungsstätten…

-  Brandschutz wird in den vorbeugenden und den abwehrenden Brandschutz unterteilt. Übergeordnetes Ziel ist die Vorbeugung der Entstehung und der Verbreitung von Feuer und Rauch, Rettung von Menschenleben und Tierleben; aber auch die Rettung von Sachwerten; Löschmaßnahmen ermöglichen

• Schutzziel vorbeugender Brandschutz: Vorbeugung der Entstehung und der Ausbreitung von Feuer und Rauch; Ermöglichung der Rettung von Menschen und Tieren; Ermöglichung von wirksamen Löscharbeiten

  • Bauliche Maßnahmen (Brandschutzwände; notwendige Treppen und Flure; Abstandsflächen einhalten)

  • Anlagentechnische Maßnahmen (Brandmelder; Fernmeldeanlagen; Sprinkelanlagen)

  • Betrieblich organisatorische Maßnahmen (Brandschutzkonzepte; Brandschutzordnung… Beschreibt alle Maßnahmen zur Planung, Organisation und Vorbereitung des Brandschutzes eines Unternehmens. Er ist Bestandteil des vorbeugenden Brandschutzes und ergänzt die Maßnahmen des anlagentechnischen und baulichen Brandschutzes)

• Abwehrender Brandschutz

  • Feuerwehr

• Äußere Abschottung -> Brandübergriff auf Nachbarbebauung verhindern

  • Abstandsflächen

  • Brandwände

• Innere Abschottung -> Brand innerhalb des Gebäudes begrenzen -> Ermöglichen auch wirksame Löscharbeiten (z.B. Einteilung ausgedehnter Gebäude in Abstände von nicht mehr als 40 m mithilfe von Brandwänden)

• Nutzungseinheiten

• Brandabschnitte

• Notwendige Rettungswege

• Trennwände

Sprinkleranlagen…

Beton -> nicht brennbarer Baustoff mit allgemein hohem Feuerwiderstand

• Inhomogen, weil aus Zementstein (Kapillar- und Gelporen! -> wassergefüllt) und GK

• Grundstoff von Zement: Mergel (Kalk+Ton)

  • Hauptbestandteile von Zement:

    • Tricalciumsilikat: Alit (C3S) -> 3CaO*SiO2

    • Dicalciumsilikat: Belit (C2S) -> 2CaO*SiO2

    • Tricalciumaluminat (C3A) -> 3 CaO*Al2O3

• Wasserdampfporendruck und Temperaturdehnung wirken zusammen

  • Ursache für Abplatzungen:

    • Thermo-Hygrische Ursachen: Wasserdadmpfporendruck:

      • Verdampfen des freien Porenwassers bei > 100°

      • Abtransport des Wasserdampfs über Kapillarporensystem

      • Druckanstieg bei unausreichender Porosität / Permeabilität

      • Abplatzungen durch den Wasserdampfporendruck

    • Moisture Clog Theorie:

      • Wasserdampftransport in Richtung der brandabgewandten Seite

      • Kondensieren ab Temperaturen < 100°C

      • Ausbildung einer gesättigten Zone im Beton mit erhöhtem Strömungswiderstand durch die gefüllten Poren

      • Anstieg des Porendrucks im Bereich des nachströmenden Wasserdampfes

• Mechanische Einwirkungen

• Thermische Einwirkungen auf der Werkstoffebene

  • Strukturveränderungen durch Umwandlungs- und Zersetzungsreaktionen

  • Dehydratisierung des physikalisch und chemisch gebundenen Wassers

• Folge:

  • Festigkeitsverlust

  • Dehnungszunahme

  • Abplatzungen

  • Risse

Betonstahl:

• Kritische Stahltemperatur bei ca. 500°C

• Betondeckung dient als isolierende Schicht pber Stahl

• Abplatzungen legen Bewehrung frei und führen zum Tragkraftverlust des Stahls

• Mechanische Einwirkungen

• Thermische Einwirkungen auf der Werkstoffebene Strukturveränderungen:

  • Zunahme der Atombeweglichkeit, Auflockerung der kompakten Gitterstruktur

• Folge:

  • Festigkeitsverlust

  • Dehnungszunahme

• Kritische Stahltemperatur bei ca. 500°C

• Betondeckung dient als isolierende Schicht über Stahl

• Abplatzungen (Zugversagen der Betondeckung) legen Bewehrung frei und führen zum Tragkraftverlust des Stahls

• Bauteilausdehnung durch die Temperaturdehnung

• Innere Kräfte im Bauteil durch:

  • äußere Last

  • Zwang aus behinderter Dehnung

  • Inkompatible Dehnung der Phasen

• Mechanische Einwirkungen

• Thermische Einwirkungen auf Bauteil- und Tragwerksebene

  • I. d. R. Behinderung der thermischen Ausdehnung

  • Temperaturgradienten im Querschnitt

  • Thermische Ausdehnung von Bauteilen, die Auswirkungen auf andere Bauteile haben (indirekte Einwirkungen)

• Materialverhalten von Stahlbeton im Brandfall:

  • Abplatzungen einzelner Gesteinskörner

  • Explosionsartige Abplatzungen von Beton

  • Abfallen von Betonschichten

• Hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Wenn man NB und HB vergleicht, hat HB niedrigeren w/z - Wert (<0,4 vs bis zu 0,75), mehr Zementanteil und Zusatzstoffe wie Silicastaub oder FA.

  • Daraus resultiert, dass weniger Kapillarporen enthalten sind. Damit sich kann der Dampfdruck nicht so gut entweichen und es gibt mehr Abplatzungen.

    • Dem kann man mit Kunststofffasern (Polypropylen) begegnen, die im Brandfall schmelzen und Hohlräume für Druck bieten

• Auf der anderen Seite bedeutet der hohe w/z-Wert im Normalbeton gleichzeitig eine hohe Feuchtigkeit im Beton, da w/z-Wert von 0,4 eigentlich rechnerisch optimal ist und alles darüber sich zu Kapillarporen umwandeln aber dadurch bleibt eben auch hohe Feuchtigkeit und Potential für Dampfdruck

• Neben den Kapillarporen kommt es aber auch noch auf die GK an. Quarzitisches Gestein ist nicht gut aufgrund des Quarzsprungs bei 573°C. Granit oder Kalkstein haben eine deutlich geringere Wärmedehnung

  
  

-> Beton mit kalkhaltigem Zuschlag verliert weniger Festigkeit als Beton mit quarzhaltigem Zuschlag

GK1: alleinstehendes Gebäude <7m (bis FuBo oberstes genutztes Geschoss) mit max 2 NE und insgesamt < 400 m²; Land- und Forstwirtschaftlich genutzte Häuser

GK2: Gebäude mit Nachbarschaftsbebauung; ansonsten wie GK1

GK3: sonstige Gebäude, deren FuBo des obersten genutzten Geschosses < 7 m ist -> mehr NE oder mehr m²

GK4: Gebäude bis 13 m bis zum FuBo des obersten genutzten Geschosses; unbegrenzte NE; NE jeweils max 400m²

GK5: sonstige Gebäude einschließlich Unterirdische

• Aus Gebäudeklassen lassen sich Anforderungen an bestimmte Bauteile herleiten, wie der Kellerdecke oder Brandschutzwänden. Das können Baustoffklassen oder Feuerwiderstandsdauern sein.

• Außerdem gibt es Anforderungen an die Zugänglichkeit für die Feuerwehr und Rettungswege. I.d.R. werden immer mind. 2 Fluchtwege benötigt. Niedrige GK -> Treppenhaus und Fenster; Höhere GK -> 2. Treppenhaus oder Sicherheitstreppenhaus.

• In DE gibt es noch die Feuerwiderstandsfähigkeit von Bauteilen. Hier wird gemäß DIN 4102 eingeteilt in:

  • feuerhemmend (F30), hochfeuerhemmend (F60) und feuerbeständig (F90)

Beispiele:

A1: Beton

A2: Gipskartonplatte

B1: Holzwolle / Leichtbauplatte

B2: Holz

B3: Stroh

• In der EU wird der Feuerwiderstand eingeteilt nach der DIN EN 13501 in die Leistungseigenschaft

  • Tragfähigkeit (R)

  • Raumabschluss (E)

  • Wärmedämmung ( I )

  • Zusätzlich die mechanischa Beanspruchung (M), Rauchdurchlässigkeit (S), selbstschließende Eigenschaft (C)

  Die Eigenschaften werden mithilfe von Klassifizierungszeiten (30, 60, 90 min) angegeben

• Verschiedene Bauteile haben unterschiedliche Anforderungen je nach Gebäudeklasse. Brandwände -> mind. REI 60

Europäische Klassifizierung nach DIN EN 13501-1

zusätzlich:

Mithilfe von drei Analysen:

• Simultane thermische Analyse (STA)

  • Untersuchung an Bohrmehlproben

• Thermogravimetrische Analyse (TGA) -> Durch TGA weiß man, wie viel Wasser bei welchen Temperaturen abgegeben wurde

  • Gewichtsveränderung (bei 400°C Massenänderung um 3 bis 6 % -> bei 800°C: 6% bis 8%)

• Differenz-Thermoanalyse (DTA) -> Durch DTA weiß man, welche bei welcher Temperatur welche Betonbestandteile sich zersetzen (Ca(OH)2; Quarzsprung; CaCO3..)

  • Energieumsatz beim Phasenübergang -> Messung basiert auf Vergleich der Temperaturen der Probe und einer ausgewählten Referenzsubstanz. Referenzsubstanz weißt keine Phasenübergänge auf. Bei konstanter Energiezufuhr (Wärme) durch den Ofen wird über Temperaturfühler die Temperatur unter beiden Tiegeln (Probe und Referenz) gemessen und die Differenz aufgezeichnet. Eine solche Temperaturdifferenz erscheint nur bei Phasenübergängen, und aus dem Kurvenverlauf lassen sich somit Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Probe ziehen.

• Nach DIN EN 1991 und 1992 werden Nachweise für das Teiltragwerk (Stufen 1/2/3), das Einzelbauteil (Stufe 3) und das Gesamtbauwerk (Stufe 3) geführt

• Nach DIN 4102 werden nur Nachweise für das Einzelbauteil geführt

• Brand = außergewöhnliche Bemessungssituation -> i.d.R. Vollbrand -> i.d.R. Temperaturzeitkurve (Naturbrandmodelle nur nach Genehmigung)

• Tabellierte Daten (Stufe 1) -> Brandschutznachweise können bedenkenlos angewendet werden

  • Klassifizierung der Bauteile mit Hilfe von Tabellen -> Beispielsweise kann man man die Ausnutzung ablesen bei ein- oder mehrseitig beanspruchter Seite, bei unterschiedlichen Stützenbreiten und Achsabständen der Bewehrung

  • Normbrandbeanspruchung bis 240 Min. bzw. Feuerwiderstandsdauer R240 -> Es kann geschaut werden, für welche Feuerwiderstandsklasse welche Achsabstände und Bauteildicke gewählt werden muss

  • Normalbeton mit quarzhaltigen Zuschlägen

  • Bei kalksteinhaltigen Zuschlägen ist die Mindestabmessung des QS bei Balken und Platten um 10% zu verringern

  • Balken, Decken, Stützen, Wände mit Mindestmaßen und Mindestachsabstände

• Vereinfachte Rechenverfahren (Stufe 2)

  • Vereinfachte Annahmen: meist temperaturbedingte Reduktion der Querschnitte ->Zonenmethode: Einteilung des Betonquerschnitts in mehrere Zonen. Im Anschluss temperaturabhängige Verkleinerung des Betonquerschnitts (geschädigte Zone ist nicht mehr tragfähig?!) -> Reduzierte Druckfestigkeit in er Druckzone -> Ermittlung der Bewehrungstemperatur/ verbleibende Stahlfestigkeit -> Nachweis

    • 500°C-Isothermen Methode

  • Nachweis, dass Einzelbauteile den im Brandfall vorhandenen Lasteinwirkungen gleichzeitiger Brandbeanspruchung durch einen Normbrand nach ETK vorgegebener Dauer standhalten

  • Nur geeignet für Bauteile ohne volle Ausnutzung, d.h.

    • Der vorhandene Achsabstand der Bewehrung ist kleiner als der Mindestwert aus der entsprechenden Tabelle

    • Es sind ausreichende Tragreserven bei Normaltemperatur vorhanden

  • Bemessung wird mithilfe der Zonenmethode berechnet (QS wird in Zonen eingeteilt; der QS wird um ein MAß az reduziert; Die Druckfestigkeit wird in der Druckzone reduziert; die Bewehrungstemperatur wird mithilfe Diagramm ermittelt; -> Nachweis wird mit anderen Werten als bei Kaltbemessung geführt)

• Allgemeine Rechenverfahen (Stufe 3) ->

  • Brandschutznachweise können nur mittels validiertem Rechenprogramm angewendet werden

  • - Grundlage: instationäre Wärmeleitung bei Festkörpern -> Temperatur im Körper ändert sich mit der Zeit -> Alle während der Aufheizphase entstehenden Verformungen sind in Spannungs-Dehnungslinien enthalten

  • - Es gibt Vereinfachungen z.B. das Beton homogen ist oder dass Bewehrung Temperatur genauso leitet wie Beton

    • Vollständige thermische und mechanische Analyse/ numerisches Simulationsmodell

    • Ermöglichen eine wirklichkeitsnahe Berechnung brandbeanspruchter Tragwerke

    • Über thermische Analyse: Temperaturentwicklung und -verteilung in Bauteilen -> Als Grundlage dient die instationäre Wärmeleitung bei Festkörpern (zeitabhängig)

    • Über mechanische Analyse: mechanisches Verhalten des Tragwerks oder eines Teiltragwerks

      
      

• Tabellierte Daten (Stufe 1) und vereinfachte Rechenverfahren:

  • + Einfache/ unkomplizierte und schnelle erste Berechnung zur groben Abschätzung welche konstruktiven Vorgaben für die jeweilige Feuerwiderstandsklasse gilt

  • +/- Sehr konservativ -> immer auf sicherer Seite

  • - Einschränkungen z.B. nur für Bauteile ohne volle Ausnutzung/ nur für Normbrandbedingungen gültig

  • - Oftmals im Bestand nicht anwendbar

  • - Recht grob und ungenau -> nicht wirtschaftlich

  
  

• Allgemeine Rechenverfahren (Stufe 3) -> Rechnersimulationen:

  • + Brandsimulationen können erstellt werden

  • + Höhere Wirtschaftlichkeit, da Nachweise eingehalten werden können, die bei den anderen Stufen nicht eingehalten werden

  • + Sowohl Temperaturentwicklung als auch mechanisches Verhalten des Tragwerks können simuliert werden

  • + Sind für jede QS- Art anwendbar

  • + Wirklichkeitsnahe Berechnung

  • + Nachweisführung an System anpassbar (Bestand)

  • - sehr aufwändig, zeit- und rechenintensiv, sehr komplex und undurchsichtig

  • - Einige Vereinfachungen: Bewehrung wird vernachlässigt, Beton ist homogen…

  • - Realer Brand kann komplett anders verlaufen als die Simulation

• CFD = Computergestützte Analyse zur Vorhersage von Strömungsverhalten in Fluiden (computional fluid dynamics)

• Simulationen beruhem im Wesentlichen auf Massenerhaltung, Energieerhaltung und Impulserhaltung

• In CFD-basierte Feuer Modelle fließen unter anderem Wärmeübertragung, Wärmestrahlung und Luftströme mit ein

• Verwendet numerische Modelle (Gleichungssysteme) um strömungsmechanische Probleme zu lösen

• Um Gebäude werden mithilfe von Zelltypen wie Tetraeder oder Heaeder dargestellt -> Finite Elemente

• Tempperaturen und die Rauchentwicklung können so realitätsnah wiedergegeben werden

• Kostengünstige Anlternative zu tatsächlichen Versuchen trotz 1:1 Maßstab

Anwendungsgebiete:

Diemensionierung von Rauchabzugsmaßnahmen

Ermittlung der Gastemperaturen; Berechnung von Bauteil- oder Objekttemperaturen