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Tragkonstruktion für Hochbauten
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Die Erfindung betrifft eine Tragkonstruktion für Hochbauten, bestehend
aus einer oder mehreren, wassergefüllten Stahlhohlstützen, die jeweils ein äußeres
Stützenhohlprofil und ein darin angeordnetes, allseitig von einem Steigkanal umgebenes
Fallrohr aufweisen, das an seinem unteren Ende mindestens eine Verbindungsöffnung
zum Steigkanal aufweist, mit jeweils einem am oberen Stützenende angeordneten, mit
dem Fallrohr verbundenen Wasservorratsbehälter.
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Stahlkonstruktionen von Hochbauten widerstehen der Feuereinwirkung
im Brandfall nur so lange, wie die Temperatur des Stahls unter einem kritischen
Wert bleibt. Wird dieser kritische Wert erreicht, so verliert die Stahlkonstruktion
rasch ihre Tragfähigkeit.
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Zur Erzielung einer ausreichenden Feuerwiderstandsdauer muß deshalb
die Temperatur des Stahls im Brandfall möglichst lange unter dem kritischen Wert
erhalten werden.
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Dies geschieht herkömmlich mit einer feuerwiderstandsfähigen, wärmedämmenden
Bekleidung oder mit einem Anstrich, der bei Feuereinwirkung eine Wärmedämmschicht
bildet. Eine besonders wirksame Maßnahme zur Erhöhung
der Feuerwiderstandsdauer
von Stahlkonstruktionen besteht darin, die tragenden Bauteile, insbesondere die
Stützen, mit einer Wasserfüllung zu versehen, um im Brandfall eine Wasserkühlung
der Bauteile zu erreichen.
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Die vom Feuer an die unverkleidete Stahlkonstruktion abgegebene Wärme
wird vom Kühlwasser aufgenommen, und zwar zunächst durch die Erwärmung des Wassers
bis zum Siedepunkt. Beim Verdampfen des Wassers wird für die hierzu erforderliche
Verdampfungswärme eine verhältnismäßig große Wärmemenge verbraucht.
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Bei einer einmaligen, nicht oder nur beschränkt umlaufenden Wasserfüllung
ist die Grenze der Kühlwirkung mit dem Verdampfen des Wassers erreicht, zumal die
beim Verdampfen auftretende, erhebliche Volumenvergrößerung dazu führen kann, daß
der größte Teil der Wassermenge ausgestoßen wird.
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Eine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung durch Wasserfüllung
der tragenden Bauteile von Stalilkonstruktionen läßt sich erreichen, wenn die örtlich
auftretende große Wärmemenge durch das strömende Kühlmedium abtransportiert wird.
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Als konstruktiv besonders. einfache und dabei sehr wirksame Maßnahme
zur Erzielung der Strömung hat es sich erwiesen, die durch die Erwärmung hervorgerufenen
Dichteunterschiede im Kühlmedium auszunutzen, um eine natürliche Zirkulation zu
erreichen.
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Bei einer bekannten Tragkonstruktion der eingangs genannten Art (DE-OS
17 59 835) können mehrere, jeweils
ein innenliegendes Fallrohr aufweisende
Stahlhohlstützen an einen gemeinsamen Wasservorratsbehälter angeschlossen werden.
Dadurch wird zwar erreicht, daß für jede einzelne Stahlhohlstütze ein gemeinsamer
Wasservorrat zur Verfügung steht, so daß der beim Überschreiten der Siedetemperatur
in einer oder in einzelnen Stahlhohlstützen durch Verdampfen auftretende Wasserverlust
über einen bestimmten Zeitraum ausgeglichen werden kann. Die Verbindung mehrerer
oder aller Stahlhohlstützen mit einem gemeinsamen Wasservorratsbehälter führt aber
dazu, daß beim Undichtwerden nur einer einzigen Stahlhohlstütze der gesamte Wasservorrat
entweicht, wodurch nicht nur die Brandschutzwirkung dieser einen undicht gewordenen
Stütze verlorengeht, sondern auch bei den anderen Stützen die Brandschutzwirkung
wesentlich herabgesetzt wird, weil nur noch die in der jeweiligen Stütze selbst
vorhandene, verhältnismäßig geringe Wassermenge eine Kühlwirkung bis zur Erreichung
des Siedepunkts erbringen kann.
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Daneben ist bei dieser bekannten Tragkonstrulction auch die Ausführungsform
vorgesehen, daß jede einzelne Stahlhohlstütze mit einem zugeordneten Wasservorratsbehälter
versehen ist. Dadurch wird zwar erreicht, daß beim Undichtwerden einer einzelnen
Stütze nur die Wasserfüllung dieser Stütze und des zugeordneten Vorratsbehälters
verlorengeht, während für alle übrigen Stützen nicht nur die in der Stütze enthaltene
Wassermenge, sondern auch die im zugeordneten Vorratsbehälter enthaltene Wassermenge
erhalten bleibt. Dabei ergibt sich aber die Schwierigkeit, daß für jede einzelne
Stütze eine verhältnismäßig große Wasservorratsmenge bereitgestellt werden muß,
wenn eine ausreichend lange Feuerwiderstandsdauer gewährleistet sein soll.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Tragkonstruktion für Hochbauten
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit verhältnismäßig einfachen Maßnahmen
einerseits die Versorgung aller Stahlhohlstützen mit einer ausreichend großen Wasservorratsmenge
im Brandfall sichergestellt ist, daß aber andererseits beim Undichtwerden einer
einzelnen Stahlhohlstütze nur ein verhältnismßig geringer Wasserverlust auftritt
und insbesondere eine ausreichende Wasserversorgung der anderen Stahlhohlstützen
gewährleistet bleibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wasservorratsbehälter
mehrerer Stahlhohlstützen durch Wasserausgleichsleitungen verbunden sind, die jeweils
oberhalb des oberen Fallrohrendes münden. Diese Wasserausgleichs leitungen bewirken,
daß jeweils die oberen, d. h. oberhalb der Mündungen der Wasserausgleichsleitun
gen liegenden Teile der Wasservorratsbehälter der einzelnen Stützen nach Art von
kommunizierenden Gefäßen miteinander verbunden sind, so daß ein selbsttätiger Wasserausgleich
zwischen den einzelnen Wasservorratsbehältern mit den jeweils angeschlossenen Stützen
erfolgt. Wenn im Brandfall das Wasser in einer oder-mehreren Stahlhohlstützen örtlich
bis zur Siedetemperatur des Wassers erhitzt werden und es zu einem Wasserverlust
durch Verdampfen kommt, wird dieser Wasserverlust nicht nur aus dem jeweils zugehörigen
einzelnen Vorratsbehälter, sondern aus der Wasservorratsmenge aller angeschlossenen
Vorratsbehälter ausgeglichen. Deshalb kann ohne Beeinträchtigung der Feuerwiderstandszeit
das Vorratsvolumen jedes einzelnen Wasservorratsbehälters vorhältnismäßig gering
gewählt werden, so daß es in Weiterbil-
dung des Erfindungsgedankens
ermöglicht wird, den Wasservorratsbehälter jeweils durch den oberen Abschnitt des
Stützenhohlprofils zu bilden, so daß ein gesonderter Wasservorratsbehälter entfällt.
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Da aber nur die jeweils oberen Teile der miteinander verbundenen Wasservorratsbehälter
durch die Anordnung der Wasserausgleichsleitung als kommunizierende Gefäße wirken,
nimmt der jeweils untere Teil jedes Wasservorratsbehälters einen individuellen Wasservorrat
für die einzelne zugehörige Stütze auf. Wenn der in den oberen Teilen der Wasservorratsbehälter
aufgenommene, gemeinsame Wasservorrat durch einen Wasserverlust an einer einzelnen
Stütze, beispielsweise infolge einer Undichtheit oder durch Verdampfung~, verlorengeht,
bleibt für die übrigen Stützen noch dieser jeweils individuelle Wasservorrat erhalten.
Auch wenn eine der Stützen beschädigt wird, oder auch bei Umbaumaßnahmen, bleibt
die notwendige Wasserkühlwirkung für die übrigen Stützen im Brandfall erhalten.
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Durch die Verbindung der einzelnen, als Wasservorratsbehälter ausgebildeten
Stüt--nköpfe genügt es, den Wasserstand für alle angeschlossenen Stützen an einer
einzigen Stelle zu kontrollieren und gegebenenfalls Wasser nachzufüllen, weil sich
der Wasserstand für alle Stützen selbsttätig ausgleicht.
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Das Fallrohr weist an seinem unteren Ende mindestens eine Verbindungsöffnung
zum Steigkanal auf. Die tragenden Stützenhohlprofile können in den einzelnen Geschossen
eine unterschiedliche Wanddicke aufweisen und in der
Länge aus einzelnen
Segmenten bestehen, die wasserdicht verbunden werden. Die Stahlhohlstütze im obersten
Geschoß, oder bei hohen Gebäuden in einem oder mehreren Zwischengeschossen, bildet
einen Wasservorratsbehälter, der mit dem Fallrohr und dem Steigkanal verbunden ist.
Dieser als Wasservorratsbehälter wirkende Stützenkopf ist ganz oder in einem Teil
seiner Höhe mit einer feuerwiderstandsfähigen Isolierung versehen.
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In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen,
daß Fallrohr und Steigquerschnitt strömungsteclinisch eindeutig getrennt werden
können, beispielsweise dadurch, daß das Fallrohr jeder Stahlhohlstütze an seinem
oberen Ende mit einer oder mehreren in den Wasservorratsbehälter mündenden Einströmöffnungen
verbunden ist, und daß der Steigkanal eine unmittelbar in den Wasservorratsbehälter
mündende Austrittsöffnung aufweist. Diese Funktion wird durch ein Separatorbauteil
erfüllt.
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Hierdurch wird sichergestellt, daß auch bei Dampfbildung ein wirksamer
Wasserumlauf in der Stütze. erhalten bleibt, ohne daß der am oberen Ende des Steigkanals
austretende Dampf den Eintritt von Wasser in das Fallrohr beeinträchtigt oder Dampf
in das Fallrohr mitgerissen wird. Die Trennwirkung ist besonders von Bedeutung bei
verhältnismäßig kleinen und/oder schmalen Wasservorratsbehältern, beispielsweise
wenn der obere Abscimitt des Stützenrohrs den Wasservorratsbehälter wie vorgeschlagen
bildet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brfindungsgedankens sind
Gegenstand von Unteransprücilen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert,
die in der Zeichnung dargestellt sind.
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Es zeigt: Fig. 1 in einem vereinfachten senkrechten Schnitt zwei mit-einander
verbundene Stahlhohlstützen einer Tragkonstruktion für einen Hochbau, Fig. 2 einen
vergrößerten Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt ähnlich
der Fig. 2 durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Stütze, Fig. 4 eine vergrößerte
Draufsicht auf einen Separator in Richtung des Pfeiles IV in Fig. 1 und Fig. 5 einen
Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4.
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In Fig. 1 ist als Beispiel eines Hochbaus ein mehrgeschossiges Gebäude
angedeutet, dessen Geschoßdecken 1, 2 durch Stahlhohlstützen 3 getragen werden,
die sich jeweils mit einer Stützenfußplatte 4 auf ein Fundament 5 abstützen.
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Jede Stahlhohlstütze 3 besteht aus einem äußeren Stützenrohr 6 und
einem darin durch Zentriereinrichtungen 8 mit Abstand angeordneten Fallrohr 7.
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Zwischen dem äußeren Stützenrohr 6 und dem Fallrohr 7 ergibt sich
ein Steigkanal 9, der am unteren Stützenende über Verbindungsöffnungen 10 mit dem
im Inneren des Fallrohrs 7 ausgebildeten Fallkanal 11 verbunden ist.
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Am oberen Ende des Fallrohres 7 ist ein Separator 12 angeordnet. Ein
Ausführungsbeispiel des Separators ist
in den Fig. 4 und 5 in Einzelheiten
dargestellt. Dieser Separator 12 weist eine zentrale, sich am oberen Ende an das
Fallrohr 7 anschließende, nach oben abgeschlossene Fortsetzung des Fallrohres auf,
wobei eine Verbindung mit dem Wasservorrat über mehrere sich radial nach außen erstreckende
Einströmquerschnitte 14 gegeben ist. Als Fortsetzung des Steigkanals 9 sind im Separator
12 mehrere Austrittsöffnungen 15 angeordnet, die unmittelbar nach oben in den Stützenkopf
6 münden. Eine nachteilige wesentliche Querschnittsverengung wird dabei vermieden.
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und der im Stützenkopf befindliche Wasservorrat vollständig genutzt.
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Oberhalb des oberen Endes des Steigrohrs 7 befindet sich jeweils ein
Wasservorratsbehälter 16, der jeweils von einem oberen Stützenrohrabschnitt 6' umschlossen
wird, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine weitere Geschoßdecke
1' trägt.
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Die Hohlstützen 3 und 6' sind mit Wasser gefüllt, das einen korrosionshemmenden
Zusatz oder einen Frostschutzzusatz enthalten kann.
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Im Bereich der Geschoßdecke 1 verlegte Wasserausgleichsleitungen 17
verbinden einzelne oder beliebig viele Wasservorratsbehälter 16 miteinander. Die
Mündungen der Wasserausgleichsleitungen 17 liegen oberhalb des oberen Fallrohrendes.
Der sich in den auch als Wasservorratsbehälter 16 fungierenden Stützenkopf 6' einstellende
Wasserspiegel 18 liegt im Normalfall oberhalb der Mündung der Wasserausgleichsleitungen
17.
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Wie bei dem Wasservorratsbehälter 16 links in Fig. 1 angedeutet, können
die Wasserausgleichsleitungen 17 den brandschutztechnischen Belangen entsprechend
entweder von unten in den Wasservorratsbehälter 16 hineingeführt sein oder sie können
an der Außenseite des Wasservorratsbehälters hochgeführt und in den Wasservorratsbehälter
16 hineingeführt sein.
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Im Brandfall erwärmt sich das Wasser im Steigkanal 9.
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Durch den zwischen dem wärmeren Wasser im Steigkanal 9 und dem kälteren
Wasser im Fallkanal 11 auftretenden Dichteunterschied kommt es zu einer Zirkulation;
das Wasser strömt im Steigkanal 9 nach oben und tritt durch die Austrittsöffnungen
15 unmittelbar nach oben in den Wasservorratsbehälter 16 ein.
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Der Strömungskreislauf wird über die Einströmöffnungen 14 und das
im Fallkanal 11 nach unten strömende Wassergeschlossen.
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Wenn es infolge starlcer Erwärmung zu einer Dampfbildung im Steigkanal
9 kommt, wird der Dampf durch die Austrittsöffnungen 15 direkt rl3ch oben in den
Wasservorratsbehälter 16 geführt, ohne daß wesentliche Dampf mangen von der in die
Einströmleitungen 14 strömenden Wassermenge mitgerissen werden oder eine Beeinträchtigung
des Wassereintritts stattfindet.
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In Abwandlung des bisher beschriebenen Ausführungsbeispiels zeigt
Fig. 3 eine Stahlhohlstütze, deren äußeres Stützenrohr 6'' einen quadratischen Querschnitt
hat.
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Die das Fallrohr 7 zentrierenden Abstandshalter 8 verlaufen hierbei
diagonal zu den Kanten des Stützenrohrs 6''.
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Bei Dampfbildung im Steigkanal 9 tritt ein Dampf-Wasser-Gemisch in
den Wasservorratsbehälter 16 ein und vermischt sich hier mit dem Wasservorrat. Der
abzuführende Dampf tritt durch eine Dampfaustrittsöffnung 19 entweder direkt ins
Freie oder in eine Dampfsammelleitung 20 ein.
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Ein unterhalb der Dampfaustrittsöffnung 19 angeordnetes Abschirmblech
21 verhindert, daß durch den Dampf Wasser in die Dampfsammelleitung 20 mitgerissen
wird. Üherdruckventile 22 oder eine Berstsicherung sorgen dafür, daß kein unzulässig
hoher Druck im Gesamtsystem auftreten kann.
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Die Dampf sammelleitung 20 führt den Dampf entweder direkt ins Freie
oder zu einem Kühler 23, der in Fig. 1 angedeutet ist. Im Kühler 23 kann ein wesentlicher
Anteil des Dampfes kondensieren,während der übrige Dampf durch eine Dampfaustrittsleitung
24 ins Freie entweicht.
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Das Kondensat wird in das System zurückgeführt und dient damit allein
oder bei einer vorgesehenen Fremdnachspeisung mittels einer Speiseleitung 26 gemeinsam
einem teilweisen oder vollständigen Ersatz des verdampften Wassers. Das Speisewasser
und/oder das Kondensat werden dabei direkt oder durch einen Zwischensammler in einen
oder mehrere Stützenköpfe 16 oder einen Extra-Steuerbehälter unterhalb des Wasserspiegels
zugeführt. Die Stützenköpfe und der Steuerbehälter sind durch eine gemeinsame Wasserausgleichsleitung
miteinander verbunden. Die Höhe des Wasserspiegels wird dabei durch einen Wasserstandsregler
gesteuert.
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In vorteilhafter Fortführung des Erfindungsgedanliens kann das Wasser
auch, wie in Fig. 1 dargestellt, aus dem Zi-
schenspeicher 25 über
die Zuführleitung 27 derart zugeführt werden, daß durch eine Einsprühdüse 28 schon
ein Teil des im Raum oberhalb von 18 befindlichen Dampfes direkt im Stützenkopf
kondensiert.
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Anstelle des Kühlers 23 kann auch ein an die Leitung 26 angeschlossener
Wärmetauscher verwendet werden, der durch die Kühlwirkung des zugeführten Speisewassers
für eine Kondensation des Dampfes sorgt.
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Es versteht sich, daß anstelle von Stahl als Baustoff für die Bauteile
auch anderes Material verwendet werden kann.