EP1304419A1 - Verfahren zum Nachweis der Tragsicherheit von Tragsystemen unter Brandlast - Google Patents

Verfahren zum Nachweis der Tragsicherheit von Tragsystemen unter Brandlast Download PDF

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EP1304419A1 EP01124843A EP01124843A EP1304419A1 EP 1304419 A1 EP1304419 A1 EP 1304419A1 EP 01124843 A EP01124843 A EP 01124843A EP 01124843 A EP01124843 A EP 01124843A EP 1304419 A1 EP1304419 A1 EP 1304419A1
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    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/62—Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
    • E04B1/92—Protection against other undesired influences or dangers
    • E04B1/94—Protection against other undesired influences or dangers against fire

Definitions

  • Structurally loaded structures are usually designed in their design that they any negative environmental influences, such as increased temperature load on occurrence withstand a fire for at least some time.
  • tunneling elements on their surface with Thermal insulation mat lined to the heating of the tunnel shell in a fire delay for example tunneling elements on their surface with Thermal insulation mat lined to the heating of the tunnel shell in a fire delay.
  • the present invention sets the task To develop computational methods, which without application of complex numerical Methods works and a load-bearing proof of statically charged Concrete structures during and after a fire.
  • the fire load either predefined fire courses or especially for fire load curves calculated in each case, in which case the nature of the Transport or goods transported. Determine these fire load curves the temperature curve as a function of time.
  • the material characteristics for the component in the case of a tunnel for reinforced concrete, under the influence of temperature. These are the properties during the Fire and residual strength after firing for both concrete and steel certainly.
  • the prerequisite for this is that the inner reinforcement layer is protected accordingly is. If the inner, the temperature-exposed reinforcement layer is not against overheating protected, so there is no residual strength and thus no carrying capacity is obtained.
  • the protection Reinforcement can only be achieved by correspondingly large coverage.
  • the Preventing the peeling of the cover either by skin reinforcement or by the Addition of polypropylene fibers is of great importance.
  • the carrying capacity of the individual cross section depends from the definition of the marginal expansions, whereby here in particular the increase of the admissible Concrete compression makes a significant contribution.
  • the definition of the limit strains has all influence with temperature-loaded cross sections.
  • the temperature stress leads to a reduction of the total Bearing capacity of the cross-section and at the same time to an asymmetrical load-bearing behavior of the cross section, since the material properties themselves for geometrically symmetric Cross sections are now asymmetrical.
  • Linear linear statics only allow linear gradients of temperature gradients. As could be detected, the actual temperature gradients deviate greatly from linear courses. As a rule, the edge zones are heavily stressed by temperature, further internal cross-sectional parts and the part facing away from the fire Cross-section are usually hardly or not at all temperature-stressed.
  • an internal load can be applied to any temperature load Stress condition can be defined, at each point on the one hand by the respective prevailing temperature and the resulting strains is determined. on the other hand
  • the material properties can be dependent on the temperature be defined, bringing the total load from the given temperature gradient calculates.
  • the fire load is set constant around the tunnel cross section. As the fire duration increases, the temperature stress penetrates deeper into the cross section:
  • the calculation model according to the invention dispenses with the application of complex numerical approaches and, on the basis of elementary strength theory and reinforced concrete construction with the aid of linear bar statics, allows proof of the load-bearing safety of load-bearing systems under fire load.
  • the step that is usually missing in the project planning can be In any case, the load capacity calculation can be included with little effort and Measures such as thermal insulation and other constructive measures on their influence be examined. A purely empirical arrangement of such measures can thus omitted. Also, the basic arrangement of thermal insulation in the form of Mats and plastering or protective concrete are offered an alternative, the exclusively based on the principles of reinforced reinforced concrete structures.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis der Tragsicherheit von Tragsystemen unter Brandlast durch Berechnung der Veränderungen der Materialeigenschaften während des Brandes und der Restfestigkeit nach dem Brand unter Zugrundelegung von mittels Stabstatik gewonnener Daten, welche bereits aus der Konstruktion des Bauteiles hervorgegangen sind und welche sich auf die Auslegung des Bauteiles für Standardlastfälle wie Eigengewicht, Wasserlast, Erddruck und Nutzlast beziehen.

Description

Statisch belastete Bauwerke werden in ihrer Konstruktion üblicherweise so ausgelegt, dass sie eventuellen negativen Umwelteinflüssen, wie erhöhter Temperaturbelastung beim Auftreten eines Brandes zumindest über einige Zeit hinweg standhalten.
Zu diesem Zweck werden beispielsweise Tunnelbauelemente an ihrer Oberfläche mit Wärmedämmatten ausgekleidet, um die Erwärmung der Tunnelschale bei einem Brand zu verzögern.
Aus den Schadensbildern der Tunnelbrände der letzten Jahre wurde gefunden, dass sowohl unbewehrte Betonstrukturen als auch Stahlbetontragwerke gegen Brandeinwirkung gewisse Tragreserven aufweisen. Ein adäquates Rechenverfahren zum Nachweis solcher Tragreserven, welches auf den gleichen Prinzipien wie der Nachweis gegen Gebirgsdruck und andere Lasten beruht, ist jedoch bisher nicht bekannt.
Da die nationalen Behörden im Zuge der Bewilligungsverfahren aber vermehrt auf die Vorlage derartiger Nachweise drängen, stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe ein Rechenverfahren zu entwickeln, welches ohne Anwendung von komplexen numerischen Methoden funktioniert und einen Tragsicherheitsnachweis von statisch belasteten Betonbauwerken während und nach einem Brand ermöglicht.
Damit soll eine zuverlässige Informationsquelle geschaffen werden, welche Auskunft darüber gibt, wie lange ein Betonbauwerk unter Brandlast seine Stabilität hält bevor es einstürzt. Diese Information ist wichtig, um zu wissen welche Zeitspanne ab dem Ausbruch des Brandes zur Evakuierung gefährdeter Personen zur Verfügung steht bzw. ab wann das Betreten durch Löschpersonal nicht mehr ratsam ist.
Diese Problematik trifft prinzipiell auf jedes statisch belastete Bauwerk zu. Exemplarisch wird hier jedoch besonders auf das Problem von Bränden in einem Tunnel eingegangen. Von besonderer Bedeutung sind solche Tragsicherheitsnachweise für Tunnelanlagen im städtischen Bereich, wo ein Einbrechen der Tunnelschalen einen Verbruch bis an die bebaute Oberfläche verursachen kann. Diese Problematik wird um so anschaulicher, wenn man weiß, dass der Abstand zwischen der Tunneldecke und dem Erdniveau hier nur einige Meter, etwa 7 bis 15 Meter betragen kann.
Um Brandlasten und deren Auswirkungen auf die Tragkonstruktion berücksichtigen zu können sind in der Abfolge der Analyse drei wesentliche Abschnitte zu unterscheiden:
  • die Definition der Brandlast
  • die Berechnung der Temperaturgradiente im Bauteil
  • der Nachweis der Tragsicherheit des Bauwerkes
Zur Definition der Brandlast können entweder vordefinierte Brandverläufe oder speziell für den jeweiligen Fall berechnete Brandlastkurven herangezogen werden, wobei hier die Art des Verkehrs bzw. der beförderten Güter berücksichtigt wird. Diese Brandlastkurven bestimmen den Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Zeit.
Mit den somit vorgegebenen Brandlasten kann über Lösung von Differentialgleichungen die Temperaturgradiente im Bauteil in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt werden. Auch hierfür stehen Rechenprogramme zur Lösung dieses Wärmeleitproblems zur Verfügung.
Entsprechende Berechnungen der Tunnelschalen für sogenannte Standardlastfälle wie Eigengewicht, Wasserlast, Erddruck und Nutzlast liegen üblicherweise zu Beginn jeder Konstruktionsentwicklung vor. Diese Berechnungen werden meist mit Hilfe linearer Stabstatik durchgeführt. Der Nachweis der Temperaturlasten erfolgt ebenfalls nach diesem System.
Zunächst sind die Materialkennwerte für den Bauteil, im Fall eines Tunnels für Stahlbeton, unter Temperatureinwirkung festzulegen. Dazu werden die Eigenschaften während des Brandes und die Restfestigkeit nach dem Brand sowohl für den Beton als auch für den Stahl bestimmt. Voraussetzung dafür ist, dass die innere Bewehrungslage entsprechend geschützt ist. Wird die innere, der Temperatur ausgesetzte Bewehrungslage nicht gegen Überhitzung geschützt, so bleibt keine Restfestigkeit und somit keine Tragfähigkeit erhalten. Der Schutz der Bewehrung ist nur durch entsprechend große Deckung erzielbar. Dabei kommt der Verhinderung des Abplatzens der Deckung entweder durch Hautbewehrung oder durch die Beigabe von Polypropylenfasern große Bedeutung zu.
In Abhängigkeit der Temperatur T im Querschnitt, die durch die Temperaturgradiente zu jedem Zeitpunkt t gegeben ist, ergeben sich an jeder Stelle im Querschnitt verschiedene Materialeigenschaften. So ergibt sich für jeden Punkt im Querschnitt der gültige Elastizitätsmodul (E-Modul) als Em = f (T (f (t))) wobei der E-Modul eine Funktion der Temperatur und diese wiederum eine Funktion der Zeit ist. Das gleiche gilt für die jeweils gültige Beton- bzw. Stahlfestigkeit sigma,m = f ( T ( f(t))).
Diese, über den Querschnitt ständig unterschiedlichen Materialeigenschaften sind nun über die Querschnittshöhe zu integrieren und ergeben die Gesamteigenschaften des Querschnittes mit der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Temperaturbelastung.
Mit Hilfe eines Computerprogrammes werden die einzelnen Querschnittseigenschaften für die vordefinierten Grenzdehnungszustände integriert und die jeweils möglichen Traglasten errechnet. Die Umhüllende, geformt aus der Variation der Randdehnungen ergibt dann die Traglastkurven.
Wie für Stahlbeton-Traglastkurven üblich, hängt die Tragkapazität des einzelnen Querschnitts von der Definition der Grenzdehnungen ab, wobei hier vor allem die Erhöhung der zulässigen Betonstauchung einen erheblichen Anteil leistet. Die Definition der Grenzdehnungen hat vor allem Einfluß bei temperaturbelasteten Querschnitten.
Erwartungsgemäß führt die Temperaturbeanspruchung insgesamt zu einer Reduktion des Tragvermögens des Querschnittes und gleichzeitig zu einem unsymmetrischen Tragverhalten des Querschnittes, da ja die Materialeigenschaften selbst für geometrisch symmetrische Querschnitte nunmehr unsymmetrisch sind. Wie festgestellt werden konnte, führt eine Erhöhung der maximal zulässigen Betonstauchung zu einer nicht unwesentlichen Erhöhung der Tragkapazität des Querschnittes. Die Erklärung liegt darin, dass zwar an den Rändern keine höhere wirksame Betonspannung aufgebaut werden kann, aber in den etwas kühleren inneren Bereichen des Querschnittes nunmehr bei höherer zugehöriger Betonstauchung größere Lastreserven aktiviert werden können.
Ebenso wie die Traglast des Querschnittes, sinken mit zunehmender Temperaturbeanspruchung auch die Steifigkeiten des Querschnittes, die einerseits vom Absinken des zugehörigen E-Modules abhängen, andererseits durch die ständige Reduktion der Querschnittshöhe aufgrund der Überbelastung durch die Temperatur erfolgen, da ja alle Querschnittsanteile mit Temperaturbelastungen größer 700 °C ausfallen.
Sinngemäß wie bei der Ermittlung der Traglast kann im Querschnitt an jeder Stelle über die Definition des jeweils gültigen E-Modules der Anteil zur Steifigkeit des Gesamtquerschnittes ermittelt werden.
Wie bereits erwähnt, soll mit diesem Verfahren mit linearer Stabstatik das Auslangen gefunden werden. Um dies zu gewährleisten, müssen die Temperaturbelastungen des Querschnittes umgeformt werden.
In der linearen Stabstatik sind nur lineare Verläufe von Temperaturgradienten zulässig. Wie festgestellt werden konnte, weichen die tatsächlichen Temperaturgradienten stark von linearen Verläufen ab. So sind in der Regel die Randzonen stark temperaturbeansprucht, weiter innen liegende Querschnittsteile und der dem Brand abgewandte Teil des Querschnittes werden in der Regel kaum oder gar nicht temperaturbeansprucht.
Ebenso sind die reduzierten Materialeigenschaften nur in den Zonen erhöhter Temperaturbeanspruchung von Bedeutung, für den Restquerschnitt gelten immer noch die ursprünglichen Materialeigenschaften.
Ähnlich wie bei der Ermittlung der Traglast kann zu jeder Temperaturbelastung ein innerer Spannungszustand definiert werden, der an jeder Stelle einerseits von der jeweils herrschenden Temperatur und den dabei auftretenden Dehnungen bestimmt ist. Andererseits können für jeden Punkt die Materialeigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur definiert werden, womit sich die Gesamtbelastung aus der vorgegebenen Temperaturgradiente errechnen läßt.
Diese inneren Schnittkräfte können in einem Folgeschritt jeweils wieder in äquivalente äußere Temperaturbelastungen umgerechnet werden, die genau diese inneren Schnittgrößen, nicht jedoch denselben Spannungszustand erzeugen würden.
Mit diesen äquivalenten Temperaturbelastungen können nunmehr Schnittgrößen mit Hilfe der linearen Stabstatik ermittelt werden, und deren Resultate aus Biegemoment und Normalkraft gegen die Traglastkurven abgegrenzt werden.
Mit den angeführten Berechnungsschritten sind nunmehr alle Voraussetzungen geschaffen, den Traglastnachweis zu führen. Die äquivalente Temperaturbelastung wird zusätzlich zu den ohnehin wirkenden Lasten aufgebracht und mit Hilfe der linearen Stabstatik werden die Schnittgrößen ermittelt. Die Interaktion dieser Schnittgrößen wird gegen die Traglastkurven des jeweiligen Querschnittes abgegrenzt und der Tragsicherheitsnachweis somit erbracht.
Soll das nachgewiesene System auch nach dem Brand noch mit einer vorgegebenen Sicherheit standsicher bleiben, bis entsprechende Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden, ist auch ein Tragsicherheitsnachweis nach dem Brand zu führen.
Dies hat mit den durch die Brandbelastung entsprechend reduzierten Materialeigenschaften sowohl für Beton als auch für Stahl zu geschehen. Dies ist bei der Festlegung der notwendigen Bewehrung derart zu berücksichtigen, dass zunächst Schnittgrößen an der Konstruktion ohne Brandlast, jedoch mit den geänderten Steifigkeitsverhältnissen zu ermitteln sind. Der Bemessungsnachweis erfolgt sodann mit reduzierten Materialeigenschaften, wobei die geforderten Sicherheitsbeiwerte anzusetzen sind.
Um die Anwendung der vorgestellten Methodik zu veranschaulichen, wird nachstehend ein Beispiel erläutert.
Gegeben sei ein üblicher, elastisch gebetteter Tunnelquerschnitt mit folgenden Querschnittsabmessungen:
  • Innenschalenquerschnitt = 40 cm
  • Bewehrung innen, außen = 5 cm2 /m
  • Betongüte B300
  • Stahlgüte ST 55
  • Bettungsmodulus 100.000 kN/m2
  • Innendurchmesser ca. 6 m
  • Überlagerung = 10 m Lockerboden
  • Wasserspiegel 2 m unter GOK
  • Betondeckung außen = 5 cm
  • Betondeckung innen = 10 cm
  • Schutzbewehrung innen, d = 3 cm (dient zur Begrenzung der Abplatzungen bei Temperatureinfluß)
    • Die Brandbelastung wird konstant rund um den Tunnelquerschnitt angesetzt. Mit zunehmender Branddauer dringt die Temperaturbeanspruchung in den Querschnitt immer tiefer ein:
    Figure 00060001
    Für die Lastfälle Eigengewicht, Erddruck und Wasser ergeben sich die folgenden Schnittgrößen. Die Stahlbetonbemessung für diese Schnittgrößen erfordert den Einbau der Mindestbewehrung.
    Figure 00070001
    Die Schnittgrößen aus den Standardlastfällen sind nun mit den Schnittgrößen aus der Temperaturbelastung überlagert. Im nachfolgenden Bild sind lediglich die Schnittgrößen für den letzten Belastungszustand nach t = 180 min dargestellt.
    Figure 00070002
    Nach der Durchrechnung verschiedener Zeitpunkte t zeigt sich, dass mit einer ständigen Zunahme der Normalkraft im System zu rechnen ist, die jedoch mit zunehmender Branddauer verflacht und von der Steifigkeit der Bettung abhängt.
    Im Gegensatz dazu steigt zunächst die Momentenbelastung im Querschnitt enorm an und sinkt nach einem Maximum wieder entsprechend stark ab. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass bei Brandbeginn die innere Belastung durch die Temperaturgradiente äußerst exzentrisch wirkt, nach einer gewissen Branddauer jedoch zwar die Temperaturbeanspruchung noch immer zunimmt, aber wesentlich weniger exzentrisch wirkt.
    Der Nachweiß der Tragsicherheit wird mit den zugehörigen Traglastkurven geführt. Im angeführten Beispiel zeigt sich, dass der Querschnitt auch nach einer Brandbelastung von 180 min noch immer eine Tragsicherheit von > 1 aufweist.
    Figure 00080001
    Es kann somit nachgewiesen werden, dass ohne zusätzliche Maßnahmen die Standsicherheit des Querschnittes mit einer Sicherheit > 1 auch während des Brandes gewährleistet ist.
    Zusätzlich zu den angeführten Schritten ist zu beachten, dass im Zuge der Berechnung Querschnittsteile, deren Temperaturbelastung über 700 Grad C hinausgeht, ausgeschieden werden. Dies entspricht den definierten Materialeigenschaften.
    Das erfindungsgemäße Berechnungsmodell verzichtet auf die Anwendung von komplexen numerischen Ansätzen und erlaubt auf der Basis der elementaren Festigkeitslehre und des Stahlbetonbaues unter Zuhilfenahme der linearen Stabstatik den Nachweis der Tragsicherheit von Tragsystemen unter Brandlast.
    Figure 00090001
    Mit diesem Berechnungsmodell kann der zumeist bei den Projektierungen fehlende Schritt der Traglastberechnung jedenfalls mit geringem Aufwand mit einbezogen werden und Maßnahmen wie Wärmedämmungen und andere konstruktive Maßnahmen auf deren Einfluß hin untersucht werden. Eine rein empirische Anordnung derartiger Maßnahmen kann damit entfallen. Auch kann der grundsätzlichen Anordnung von Wärmedämmungen in Form von Matten und Verputzen oder Schutzbetonen eine Alternative geboten werden, die ausschließlich auf die Prinzipien bewehrter Stahlbetontragwerke zurück greift.

    Claims (4)

    1. Verfahren zum Nachweis der Tragsicherheit von Tragsystemen unter Brandlast durch Berechnung der Veränderungen der Materialeigenschaften während des Brandes und der Restfestigkeit nach dem Brand unter Zugrundelegung von mittels Stabstatik gewonnener Daten, welche bereits aus der Konstruktion des Bauteiles hervorgegangen sind und welche sich auf die Auslegung des Bauteiles für Standardlastfälle wie Eigengewicht, Wasserlast, Erddruck und Nutzlast beziehen, dadurch gekennzeichnet, dass Eingangswerte zur Berechnung für den Bauteil unter Temperatureinwirkung wie folgt festgelegt werden
      durch Definition der Brandlast
      durch Festlegung eines beliebigen Zeitpunktes t und Berechnung der Temperaturbelastung über den gesamten Querschnitt zu diesem Zeitpunkt t und
      durch Festlegung der Materialeigenschaften unter Temperatureinfluß und nach Brandeinwirkung,
      wobei mit diesen festgelegten Daten über die Querschnittshöhe des Bauteiles für jeden dieser Zeitschritte unter Berücksichtigung der unterschiedlichen nicht linearen Materialeigenschaften an jeder Stelle des Querschnittes durch Integration innerhalb festgelegter Grenzdehnungszustände
      die Traglastkurven für diesen Querschnitt zu diesem Zeitpunkt, das ist die Ermittlung der Tragfähigkeit des Querschnittes durch Bestimmung der Interaktion Biegemoment und Normalkraft mittels Traglastkurven
      die Umrechnung der aus der Temperaturlast resultierenden inneren Schnittkräfte in äquivalente äußere Temperaturlasten und
      die Bestimmung der jeweils für den betrachteten Querschnitt geltenden Systemsteifigkeiten, das sind Biegesteifigkeit und Dehnsteifigkeit
      ermittelt werden und die sich unter Zuhilfenahme von Stabzugberechnungen ergebenden Schnittgrößen unter Berücksichtigung der geänderten Steifigkeiten und aufgebrachter Ersatztemperaturlast gegen die dann geltenden Traglastkurven abgegrenzt werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem negativen Nachweis der Tragsicherheit des betreffenden Tragsystems die in Anspruch 1 angeführten Verfahrensschritte mit geänderten festzulegenden Materialeigenschaften so lange wiederholt werden, bis die gewünschte Tragsicherheit erreicht ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialeigenschaften durch Erhöhung der Bewehrung und/oder durch Erhöhung des Betonanteiles und/oder durch Einbeziehung eines Fließgelenkes in die Berechnung geändert werden.
    4. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluß an die Erarbeitung der Konstruktionspläne zur Errichtung eines statisch belasteten Bauwerkes die Tragsicherheit dieses Bauwerkes für einen eventuellen Brandfall unter Zugrundelegung von mittels Stabstatik gewonnener Daten, welche bereits aus der Konstruktion des Bauteiles hervorgegangen sind und welche sich auf die Auslegung des Bauteiles für Standardlastfälle wie Eigengewicht, Wasserlast, Erddruck und Nutzlast beziehen, ermittelt und gegebenenfalls die Konstruktionsmerkmale soweit verändert werden, dass die Tragsicherheit bei Brandlast bzw. die erforderliche Restfestigkeit nach dem Brand gegeben ist.
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