Belastete Brandprüfungen tragender Stahlbauteile – warum die tatsächliche Ausnutzung entscheidend ist
Aktualisiert: vor 4 Tagen
Bei Brandprüfungen tragender Bauteile stellt sich die Frage, welche Belastung aufzubringen ist. Bei modernen Brandprüfmethoden, beispielsweise an Stahlbauteilen, wird immer öfter gefordert, dass die Belastung im richtigen Verhältnis zu den tatsächlichen Materialkennwerten des Probekörpers stehen soll.
Auf den ersten Blick erscheint dies ungewöhnlich, da Nachweise der Tragfähigkeit von Bauteilen auf normativen Materialkennwerten beruhen. Für die Beurteilung der Tragfähigkeit im Brandfall verfolgt die Brandprüfung jedoch ein anderes Ziel: Sie soll den ungünstigsten relevanten Anwendungsfall möglichst realitätsnah abbilden.
Relevant ist dies insbesondere bei den zahlreichen Zulassungen und Brandprüfungen, die derzeit im Stahlmodulbau erteilt bzw. durchgeführt werden.
Der folgende Beitrag konzentriert sich daher auf den Stahlmodulbau und die hierfür geltenden Zulassungsgrundsätze des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt).
Ausnutzungsgrad als maßgebende Kenngröße im Brandfall
Die Tragfähigkeit eines Stahlbauteils im Brandfall wird wesentlich durch seinen Ausnutzungsgrad bestimmt. Nach DIN EN 1993-1-2 beschreibt der Ausnutzungsgrad μ₀ das Verhältnis der vorhandenen Beanspruchung zum Zeitpunkt des Brandausbruchs zur Tragfähigkeit des Bauteils bei Raumtemperatur unter den Randbedingungen der außergewöhnlichen Bemessungssituation Brand.
Vereinfacht ausgedrückt beschreibt der Ausnutzungsgrad, wie stark ein Bauteil bereits zu Beginn eines Brandes belastet ist. Je höher dieser Wert ist, desto geringer sind die verbleibenden Tragfähigkeitsreserven und desto niedriger fällt die kritische Stahltemperatur aus.
Der Ausnutzungsgrad stellt damit einen der wesentlichen Einflussparameter bei der brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbauteilen dar. Er bestimmt maßgeblich, bei welcher Temperatur ein Tragfähigkeitsversagen zu erwarten ist.
Warum wird die Belastungen im Brandfall geringer angesetzt?
Im Brandfall werden die Einwirkungen nicht mit denselben Lastkombinationen angesetzt wie bei der Bemessung unter Normaltemperatur. Hintergrund ist die außergewöhnliche Bemessungssituation Brand. Der Eurocode 3-1-2 geht davon aus, dass zum Zeitpunkt eines Brandes nicht sämtliche veränderlichen Einwirkungen gleichzeitig in voller Höhe vorhanden sind. Daher dürfen reduzierte Lastkombinationen verwendet werden.
Die Bemessungseinwirkungen im Brandfall Efi,d werden nach DIN EN 1991-1-2 über die außergewöhnliche Lastkombination ermittelt. Gegenüber der Kaltbemessung ergeben sich dabei reduzierte Einwirkungen, da veränderliche Lasten lediglich mit den entsprechenden Kombinationsbeiwerten ψfi berücksichtigt werden.
Für viele übliche Hochbaukonstruktionen lässt sich die Brandbeanspruchung vereinfacht aus der Kaltbemessung ableiten. Hierfür ist in DIN EN 1993-1-2 der Abminderungsfaktor ηfi für Stahlbauteile vorgesehen:
mit
Ed = Bemessungseinwirkungen bei Normaltemperatur,
ηfi = Abminderungsfaktor für die außergewöhnliche Bemessungssituation Brand.
Für übliche Gebäude kann der vereinfachte Wert nach DIN EN 1993-1-2 Abschnitt 4.7 angenommen werden, dieser liegt bei
und beschreibt damit die im Brandfall anzusetzenden reduzierten Einwirkungen.
Zusammenhang mit dem Ausnutzungsgrad:
Der Ausnutzungsgrad μ0 im Brandfall wird in DIN EN 1993-1-2, Abschnitt 4.2.4.3, definiert als
mit:
Efi,d = Bemessungseinwirkungen im Brandfall
Rfi,d,0 = Tragfähigkeit des Bauteils zum Zeitpunkt t = 0 im Bemessungsbrandfall
Für Bauteile ohne maßgebende Stabilitätsphänomene kann der Ausnutzungsgrad nach DIN EN 1993-1-2 vereinfacht über den Faktor ηfi bestimmt werden:
Da sowohl der Teilsicherheitsbeiwert für die Kaltbemessung γM,0 als auch der Teilsicherheitsbeiwert für die außergewöhnliche Bemessungssituation Brand γM,fi üblicherweise mit 1,0 angesetzt werden, vereinfacht sich die Gleichung zu:
Bei einem häufig verwendeten Wert von
ergibt sich somit direkt:
Der häufig genannte Ausnutzungsgrad von 65 % stellt daher keinen gesonderten Sicherheitsbeiwert dar. Er ergibt sich unmittelbar aus den nach Eurocode anzusetzenden reduzierten Einwirkungen für die außergewöhnliche Bemessungssituation Brand und die vereinfachte Annahme für übliche Gebäude.
Welche Belastung soll also auf eine tragende Konstruktion während einer belasteten Brandprüfung wirken?
Eine belastete Brandprüfung soll nachweisen, dass das Bauteil oder die Bauart unter einer definierten mechanischen Einwirkung die geforderte Feuerwiderstandsdauer erreicht. Dabei ist entscheidend, dass die Prüflast ausreichend hoch gewählt wird.
Wird eine Prüfung mit einer geringeren Belastung bestanden, so gilt das Prüfergebnis nur für diesen begrenzten Belastungsbereich und kann nicht ohne Weiteres auf stärker beanspruchte Bauteile übertragen werden.
Die DIN EN 1363-1 schreibt hierfür keinen einheitlichen Ausnutzungsgrad vor. Vielmehr ist die Grundlage der Prüflast anzugeben und zu dokumentieren.
„Der Auftraggeber muss die Grundlage für die Prüflast einschließlich Berechnungen angeben, falls die Prüflast auf Baustoffeigenschaften beruht.“
(Zitat: DIN EN 1363-1:2020-05, Feuerwiderstandsprüfungen Teil 1: Allgemeine Anforderungen, 5.4 Belastung)
Aus diesem Grund ist bei belasteten Brandprüfungen nicht allein die erreichte Feuerwiderstandsdauer maßgebend, sondern auch die Belastung, unter der der Nachweis geführt wurde. Damit stellt sich die Frage, auf welcher Grundlage die Prüflast festgelegt wird und wie sichergestellt werden kann, dass die angestrebte Beanspruchung des Prüfbauteils tatsächlich erreicht wird.
Warum reale Stahlkennwerte verwendet werden
Die Höhe der Prüflast hängt unmittelbar von der angesetzten Tragfähigkeit des Prüfbauteils ab. Soll in der Brandprüfung also ein Ausnutzungsgrad von 0,65 nachgewiesen werden, muss sichergestellt werden, dass dieser Wert auch tatsächlich erreicht wird. Stahlprofile weisen in der Praxis häufig höhere Festigkeiten auf als die normativ geforderten Mindestwerte. Die tatsächliche Streckgrenze liegt daher oftmals über dem charakteristischen Wert.
Würde die Prüflast ausschließlich auf Grundlage der normativen Mindestfestigkeiten ermittelt, könnte die tatsächliche Tragfähigkeit des Prüfbauteils höher sein als angenommen. Die Folge wäre eine geringere tatsächliche Beanspruchung des Probekörpers. Der zu Beginn der Brandprüfung erreichte Ausnutzungsgrad läge damit unter dem rechnerisch angesetzten Wert und es würde ein günstigerer Lastzustand geprüft als beabsichtigt. Die Aussagekraft der Ergebnisse der Brandprüfung für in der Praxis höher beanspruchte Anwendungsfälle wäre nicht ohne Weiteres gegeben.
Um solche versteckten Tragfähigkeitsreserven in der Brandprüfung auszuschließen, fordern Zulassungsgrundsätze (beispielsweise „Grundsätze für die Nachweisführung im Antragsverfahren zur Erteilung allgemeiner Bauartgenehmigungen für feuerwiderstandsfähige Bauteile in Stahl-Modulbauweise“) die Berücksichtigung der tatsächlichen Stahlkennwerte der Probekörper. Hierzu müssen die tatsächlichen Materialkennwerte bekannt sein und bei der Festlegung der Prüflast berücksichtigt werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die vorgesehene Beanspruchung des Prüfbauteils und damit der angestrebte Ausnutzungsgrad tatsächlich erreicht werden.
„Für belastete Bauteile muss der tatsächliche Ausnutzungsgrad der Stahlprofile in der Prüfung bekannt sein. Dieser muss sich auf die tatsächliche Festigkeit des Stahls beziehen und nicht auf die Nennfestigkeit. Die Prüflastermittlung ist im Vorfeld anzugeben.“
(Zitat: Grundsätze für die Nachweisführung im Antragsverfahren zur Erteilung allgemeiner Bauartgenehmigungen für feuerwiderstandsfähige Bauteile in Stahl-Modulbauweise, DIBT, 10.02.2025, Abschnitt 4.1.4 Prüfverfahren)
Die Berücksichtigung der tatsächlichen Materialkennwerte entspricht auch dem Grundgedanken der DIN EN 1363-1. Im informativen Anhang D.2 wird die Verwendung tatsächlich ermittelter Baustoffeigenschaften als die schärfste Anwendung der Prüflast beschrieben und als geeignete Grundlage für die Übertragung von Prüfergebnissen auf weitere Anwendungen und Berechnungsverfahren eingeordnet.
„Ein derartiger Fall stellt die schärfste Anwendung der Prüflast dar und bildet eine reale Grundlage zur Extrapolation von Prüfdaten und deren Anwendung bei Berechnungsverfahren.“
(Zitat: DIN EN 1363-1:2020-05, Feuerwiderstandsprüfungen Teil 1: Allgemeine Anforderungen, Anhang D.2 Varianten zur Auswahl der Prüflast)
Höhere tatsächliche Festigkeiten führen dabei zu entsprechend höheren Prüflasten, sodass die vorgesehene Ausnutzung des Probekörpers erreicht und unbeabsichtigte Tragfähigkeitsreserven vermieden werden.
Bedeutung für Zulassungen, Planung und Nachweisführung
Wurde während einer belasteten Brandprüfung eines tragenden Stahlbauteils eine Ausnutzung von etwa 65 % aufgebracht und die Feuerwiderstandsfähigkeit nachgewiesen, entspricht dies der Auslastung gemäß dem für Stahlbauteile üblichen vereinfachten Bemessungsansatz nach Eurocode 3-1-2. Einschränkungen des Anwendungsbereichs sind dann nicht erforderlich.
Liegt die tatsächlich erreichte Ausnutzung dagegen darunter, wird der zulässige Anwendungsbereich im Zulassungsverfahren durch die Festlegung eines maximal zulässigen Ausnutzungsgrades in der allgemeinen Bauartgenehmigung begrenzt.
Diese Überlegungen gelten nicht nur für Stahlbauteile, sondern grundsätzlich auch für Brandprüfungen tragender Bauteile aus anderen Materialien.
Fazit
Belastete Brandprüfungen sollen die Tragfähigkeit eines Systems unter einem repräsentativen und ausreichend ungünstigen Lastzustand nachweisen. Die Berücksichtigung der tatsächlichen Stahlkennwerte dient dabei nicht dem Nachweis erhöhter Materialfestigkeiten, sondern der realistischen Einstellung der Prüflast und damit der zutreffenden Ermittlung des Ausnutzungsgrades.
So lässt sich beurteilen, für welchen Belastungsbereich die Prüfergebnisse gelten. Aus diesem Grund fordern aktuelle Zulassungsgrundsätze die Berücksichtigung der realen Materialkennwerte und knüpfen die Anwendbarkeit der Ergebnisse an den in der Prüfung nachgewiesenen Ausnutzungsgrad.
In der Vergangenheit wurden Brandprüfungen häufig mit Prüflasten durchgeführt, die auf Grundlage normativer Materialkennwerte ermittelt worden waren. Wurde auch bei Ihren Prüfungen auf diese Weise vorgegangen und ergeben sich daraus im Rahmen der Bewertung Ihrer Bauteile oder Bauarten Fragen seitens des DIBt, unterstützt Sie die Ingenieure der IBB Hauswaldt GmbH gerne bei der fachlichen Prüfung und Einordnung der vorliegenden Prüfergebnisse sowie bei der Ableitung geeigneter weiterer Schritte.
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