DE2246600A1 - Hohltraeger, vorzugsweise kastentraeger aus stahl oder stahllegierungen fuer die verwendung in hochbauten mit mitteln zur ausdehnung der standzeiten im brandfalle - Google Patents

Description

• Hohlträger, vorzugsweise Kastenträger aus Stahl oder Stahllegierungen für die Verwendung in Hochbauten mit Mitteln zur Ausdehnung der Standzeiten im Brandfalle Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlträger, vorzugsweise Kastenträger aus Stahl oder Stahllegierungen für die Verwendung in Hochbauten mit einem im Hohlraum untergebrachten, unterhalb derjenigen Temperatur verdampfbaren Stoff, bei der der Hohlträger seine vorgeschriebene Festigkeit verliert.
• Stahlträger, wie sie häufig für die Erstellung von Stahlskeletten im Hochbau verwendet werden, sind im Falle von Brandkatastrophen wegen der ihnen eigenen raschen Abnahme ihrer Festigkeitseigenschaften mit steigender Temperatur stark gefährdet. So z.B. ist einschlägigen Nachschlagewerken zu entnehmen, dass ein Baustahl mit der Bezeichnung St 45.8 bis etwa 300 °C im grossen und ganzen seine Festigkeitseigenschaften behält, bei einer Temperatursteigerung bis auf 400 0C jedoch bereits ca. 1/3 seiner Zugfestigkeit verliert.
• Nun besteht aber gerade im Zusammenhang mit Hochbauten die Forderung, dass Stahlträger eine bestimmte Zeit hohen Umgebungstemperaturen standhalten müssen, damit eine vorzeitige Einsturz gefahr des Gebäudes möglicherweise noch während der Evakuierungs- und Löscharbeiten mit Sicherheit verhindert wird. Es gibt in dieser Hinsicht einschlägige Bestiiaungen, dass einzelne Elemente eines Stahlskeletts ohne nennenswerten Verlust ihrer Festigkeit in einem Flammenfeld von 1000 OC beständig bleiben sollen. Die geforderten Standzeiten sind von Land zu Land und von Gebäudeart zu Gebäudeart verschieden, ebenso die Prüfmethoden. Die Zeiten erstrecken sich beispielsweise von 1,5 Stunden für ebenerdige Gebäude bis zu 4 Stunden und mehr für schwierig zu evakuierende Gebäude, wie mehrgeschossige Krankenhäuser, etc.
• Man hat dieses Problem bisher dadurch zu lösen versucht, dass man Stahlträger, vor allem solche in vertikaler Anordnung, allseitig mit einer dicken Schicht von thermisch isolierendem Material, wie Asbestmassen etc., umhüllt, welches im Falle eines Brandes den Wärmeübergang auf das Metall hemmt und so den vorzeitigen Einsturz der Stahlkonstruktion verhindern soll. Eine solche Massnahme schafft aber nur sehr bedingt Abhilfe, zumal die Erfahrung gezeigt hat, dass die Leitfähigkeit solcher Beschichtungen immer noch ausreichend ist um die bei Brandkatastrophen freigesetzten enormen Wärmemengen auf die Stahlkonstruktion zu übertragen.
• Es wurden auch schon tberlegungen angestellt, Stahlträger mit einer Wasserfüllung zu versehen und/oder an einen Wasserkreislauf anzuschliessen. Diese Lösung wurde jedoch wieder verworfen, nachdem es sich herausgestellt hatte, dass die erforderliche Abdichtung der Träger auf der Baustelle nur schwer und wenn überhaupt unter hohen Kosten durchzuführen ist. Vor allem aber gefährdet die mit der Wasserfüllung bei Berührung mit dem Trägerwerkstoff einhergehende Korrosion die Lebensdauer der Träger.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die den bekannten Lösungen anhaftenden Nachteile zu vermeiden und Massnahmen anzugeben, durch welche die Standzeiten von Stahlträgern im Falle von Brandkatastrophen mit Sicherheit erheblich verlängert werden. Diese Auf gabe ist insofern von besonderer Bedeutung, als Stahl eine sehr niedrige spezifische Wärme besitzt, so dass er sich bei gegebenem Wärmeübergang sehr rasch auf unzulässig hohe Temperaturen erwärmt. Ausserdem sehr die Dichtheit der Stahlträger und -bei korrosiven Medien- der notwendige Korrosionsschutz die Herstellkosten nicht nennenswert erhöhen.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Hohlträger gemäss der Erfindung dadurch, dass der verdampfbare Stoff innerhalb eines flexiblen, bei Erwärmung schmelzenden bzw. platzenden Behälters untergebracht ist.
• Als Behältermaterial kommen vornehmlich Polyolefine, insbesondere Polyäthylen in Form von Schläuchen oder Beuteln in Betracht. Der oder die Behälter wird bzw. werden in den Hohlträger eingebracht und mit dem verdampfbaren Stoff gefüllt.
• Es ist aber auch möglich, bereits gefüllte Behälter in den Hohlträger einzubringen. Das Behältermäterial übernimmt sowohl die Funktion des Dichtungsmittels als auch -bei korrosiven Medien- diejenige des Korrosionsschutzes. Der Träger wird somit kaum verteuert, wohl aber wirksam gegen vorzeitiges Versagen im Brandfalle geschützt.
• Der Behälter liegt infolge des hydrostatischen Innendrucks des verdampfbaren Stoffes unter inniger Berührung an dem Hohlträger an und nimmt infolgedessen auch sehr rasch dessen Temperatur an. Im Falle einer Überschreitung der Siedetemperatur des verdampfbaren Stoffes wird der flexible Behälter platzen; bei örtlicher Überhitzung ist infolge der thermoplastischen Stoffen eigenen schlechten Wärmeleitung auch ein Schmelzen möglich? so dass der in dem Behälter untergebrachte verdampfbare Stoff austritt und mit dem Hohlträger in Berührung kommt. In diesem Augenblick setzt eine sehr wirksame Verdampfungskühlung ein, durch welche dem Hohlträger grosse Wärmemengen entzogen werden. Es ist natürlich erforderlich, dass die hierbei gebildeten Dampfmengen ohne nennenswerte Behinderung aus dem Innenraum des hohlträgers austreten können. Man sieht daher entweder besondere Abzugsöffnungen vor oder bei zusammengesetzten Hohlträgern geht man so vor, dass das Trägersystem selbst als Abzug für die gebildeten Dämpfe dient.
• Das Austreten des verdampften Stoffes aus dem Behälter kann dadurch erleichtert werden, dass im Hohlraum des Trägers, vorzugsweise in dessen oberer Verschlussplatte, ein Dorn oder dgl. angebracht ist, dessen Spitze dem Behälter zugekehrt ist. Unter Hitzeeinwirkung wird sich der Behälter zunächst blähen bis er den Dorn berührt und dann platzen.
• Die Erfindung baut dabei auf der Erfahrung auf, dass viele Substanzen zum Zwecke ihrer Verdampfung sehr grosse Wärmemengen absorbieren, die man auch als Verdampfungswärme bezeichnet. Diese Wärmemengen sind um ein Vielfaches grösser als diejenigen Wärmemengen, durch die der gleiche Stoff um erhebliche Temperaturdifferenzen erwärmt werden kann. Dabei tritt noch der. zusätzliche Vorteil ein, dass die Temperatur des betreffenden Stoffes während der Verdampfungsphase konstant bleibt. Ein Beispiel möge dies verdeutlichen. Um ein Kilogramm Wasser von 0 OC auf 100 OC zu erwärmen wird eine Wärmemenge von 100 kcal benötigt. Um jedoch Wasser mit einer Temperatur von 100 0C in Dampf der gleichen Temperatur zu verwandeln werden bereits ca. 540 kcal benötigt. Es ist daher gemäss der weiteren Erfindung besonders vorteilhaft, für den Hohlträger eine Füllung mit Wasser vorzusehen.
• Die Standzeit des Hohlträgers gegenüber einer Flammeneinwirkung lässt sich jedoch gemäss der weiteren Erfindung auch dadurch erhöhen, dass neben dem verdampfbaren Stoff im Falle der Verwendung von Wasser noch eine weitere Substanz in den Hohlträger eingebracht ist, die mit Wasser in Form einer Kältemischung reagiert.
• Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung seien nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert, die sämtlich Schnitte durch Hohlträger unterschiedlicher Bauart zeigen.
• Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Hohlträger 1, der aus zwei parallelen Doppel-T-Trägern 2 zusammengesetzt ist, die an ihren Fanschen durch Laschen 3 mittels Nieten 4 verbunden sind. Im Inneren des dadurch gebildeten Kastenquerschnitts befindet sich ein Behälter 5 aus einem flexiblen Material, beispielsweise einer thermoplastischen Folie. Der Behälter 5 ist mit einem verdampfbaren Stoff 6, im vorliegenden Fall Wasser, gefüllt.
• Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einenHohlträger 1, bei dem jedoch anstelle der Doppel-T-Träger zwei U-förmige Profile 7 eingesetzt sind, die an ihren beiden Flanschen unter Verwendung von Nieten 4 mittels zweier Stege 3 zu einem kastenförmigen Profil vereint sind. Innerhalb des Hohlraums befindet sich der flexible Behälter 5 mit dem verdampfbaren Stoff 6.
• Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Hohlträger 1, der jedoch ausschliesslich aus zwei Doppel-T-Trägern 8 zusammengesetzt ist, die ohne Verwendung von Laschen durch Verschweissen an den sich berührenden Kanten der Flansche 9 verbunden sind. Die entsprechende Schweissnaht ist mit 10 bezeichnet.
• Im Inneren des auf diese Weise gebildeten Hohlraums befindet sich analog Fig. 1 und 2 ein flexibler Behälter 5, welcher in gleicher Weise mit einem verdampfbaren Stoff .6 (Wasser) gefüllt ist.
• Ähnliches gilt für den in Fig. 4 gezeigten Querschnitt durch einen Hohlträger 1, der aus zwei kastenförmig abgewinkelten Blechen 11 und 12 besteht, die an ihren Schenkeln mittels der Schweissnähte 13 miteinander verbunden sind.
• Fig. 5 schliesslich zeigt einen lsängsschnitt durch einen senkrecht aufgestellten Hohlträger 1, der an seinem oberen Ende mit einer Verschluss- bzw. Flanschplatte 14 versehen ist. Diese trägt einen nach unten gerichteten Dorn 15, an den sich der Behälter 5 im Falle einer Blähung durch Dampfdruck anlegt.
• Die Erfindung ist keinesfalls auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Hohlträger lassen sich auch auf andere Arten herstellen, so s.B. durch rechtwinkliges Abkanten von Stahlblechen zu Winkelprofilen, welche an diagonal gegenüber liegenden Ecken serschweisst werden. Es spielt für die Ausführung der erfindungsgemässen Lehre auch keine Rollen die Hohlträger in senkrechter oder waagrechter Lage eingebaut werden. Bei senkrechter Anordnung empfiehlt sich lediglich die Verwendung grösserer Wandstärken für den flexiblen Behälter, damit der hydrostatische Druck den Behälter im Falle von Undichtigkeiten im unteren Bereich des Hohlträgers nicht bereits bei Raumtemperatur zum Platzen bringen kann.
• Das nachfolgend angegebene Rechenbeispiel möge die Wirksamkeit des Gegenstandes der Erindung im Falle einer Brandkatastrophe näher erläutern: es wird dabei ausgegangen von einem Kastenträger aus zwei Doppel-T-Trägern, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Die dort angegebene Höhe H beträgt 500 mm. Ein solcher Hohlträger ist genormt; sein Gewicht beträgt 296 kg/m. Der von den Doppel-T-Trägern und Laschen eingeschlossene Hohlraum ist annähernd quadratisch, so dass sich ein Innenquerschnitt von etwa 0,25 m3 ergibt. In einem Meter eines solchen Hohlträgers befinden sich somit maximal etwa 250 kg Wasser.
• Um einen Träger ohne Wasserfüllung von Raumtemperatur auf 3000C aufzuheizen, bei welcher er die vorgeschriebene und der statischen Berechnung zugrundeliegende Festigkeit verliert, benötigt man aufgrund der bekannten spezifischen Wärme für Baustahl eine Wärmemenge von ca. 9500 kcal Betrachtet man nun vergleichsweise den mit der oben angegebenen Wassermenge gefüllten Träger, so ist allein für die Erwärmung der Wasserfüllung von 20 auf 100 °C eine Wärmemenge von 20 000 kcal erforderlich. Um das Wasser bei Normaldruck und ca. 100 °C zu verdampfen, wird bei der für Wasser bekannten Verdampfungswärme von 539 kcal/kg eine Gesamtmenge von 134 500 kcal benötigt. Hieraus geht hervor, dass allein für die Aufheizung und Verdampfung des Wassers eine Wärmemenge von insgesamt 154 500 kcal benötigt wird.
• Es wird nun weiter angenommen, dass vor und nach der Verdampfung des Wassers zusätzlich noch der Hohlträger bis auf die in der Vergleichsrechnung angegebene obere Temperaturgrenze von 300 OC aufgeheizt werden soll. Hierfür werden nochmals 9500 kcal benötigt. Um also den mit Wasser gefüllten Hohlträger von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 300 °C aufzuheizen fällt insgesamt ein Wärmebedarf von 164 000 kcal an. Das ist der ca. 17-fache Betrag von derjenigen Wärmemenge, die für einen Hohlträger ohne Flüssigkeitskühlung benötigt wird.
• Geht man stark vereinfachend davon aus, dass die Wärmeübergangswerte in beiden Fällen und unter gleichen Voraussetzungen etwa gleich sind, so ergibt sich eindeutig, dass der flüssigkeitsgekühlte Hohlträger eine mehr als 10-fache Standzeit aufweist. Hierbei ist bereits berücksichtigt, dass der Wärmeübergang, der bekanntlich u. a. von der Temperaturdifferenz abhängig ist, bei dem flüssigkeitsgekühlten Träger grösser sein wird als bei dem nicht gekühlten Träger. Dieser Einfluss vermag das rechnerisch gefundene Ergebnis jedoch nur unwesentlich, keinesfalls aber grössenordnungsmässig, zu beeinflussen.
• - Ansprüche -

Claims (5)

1. Ansprüche: 1. Hohlträger, vorzugsweise Kastenträger aus Stahl oder Stahllegierungen für die Verwendung in Hochbauten mit einem im Hohlraum untergebrachten, unterhalb derjenigen Temperatur verdampfbaren Stoff, bei der der Hohlträger seine vorgeschriebene Festigkeit verliert, dadurch gekennzeichnet, dass der verdampfbare Stoff (6) innerhalb eines flexiblen, bei Erwärmung schmelzenden bzw. platzenden Behälters (5) untergebracht ist.
2. 2. Hohlträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (5) aus einer thersoplastischen Folie besteht.
3. 3. Hohlträger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen, vorzugsweise an der oberen Verschlussplatte (14) angebrachten, dem Behälter (5) zugekehrten Dorn (15).
4. 4. Hohlträger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Füllung mit Wasser.
5. 5. Hohlträger nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem verdampfbaren Stoff (6) ir Falle der Verwendung von Wasser noch eine weitere Substanz in den Hohlträger eingebracht ist, die mit den Wasser in Form einer Kältemischung reagiert.