Besondere Anforderungen an den baulichen Brandschutz im Hotel
Bedeutung der Brandszenarien nach Eurocode im Rahmen von Brandschutzkonzepten und deren Prüfung
1. Bedeutung der Brandszenarien
nach Eurocode im Rahmen von
Brandschutzkonzepten und
deren Prüfung
Arbeitstagung der Bundesvereinigung der
Prüfingenieure für Bautechnik e. V.
am 23. und 24. Sept. 2011
in Rostock-Warnemünde
Dr.-Ing. Jochen Zehfuß
Niederlassungsleiter Hamburg
hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH
1
2. Inhaltsübersicht
• Einführung
• Eurocode 1 Teil 1-2 und Nationaler Anhang
• Brandszenarien und Bemessungsbrände
• Naturbrandmodelle
• Sicherheitskonzept nach EC 1-1-2/NA
• Anwendungsbeispiel
• Zusammenfassung und Ausblick
2
3. Brandschutzteile der Eurocodes
• Veröffentlichung der Brandschutzteile der ECs (Teil 1-2)
sowie zugehöriger Nationaler Anhänge im Dezember 2010
• EC 1-1-2 und NA Einwirkungen
• EC 2-1-2 und NA Stahlbeton- und Spannbetontragwerke
• EC 3-1-2 und NA Stahlbauten
• EC 4-1-2 und NA Verbundtragwerke
• EC 5-1-2 und NA Holzbauten
• [EC 6-1-2 Mauerwerk, EC 9-1-2 Aluminium]
3
4. Bauaufsichtliche Einführung
• Übernahme der ECs und NA in LTB geplant zum
01.07.2012
• DIN 4102-4 und DIN 4102-22 werden zum 01.07.2012
zurückgezogen
• „Restnorm“ DIN 4102-4 mit nicht in den Eurocodes
enthaltenen Regelungen (Sonderbauteile, historische
Bauweisen) soll zum 01.07.2012 erscheinen und in LTB
übernommen werden
• Ab 01.07.2012 muss brandschutztechnische Bemessung
mit den Eurocodes durchgeführt werden
4
5. Zwischenphase
• Phase bis zum 01.07.2011, Papier der FK Bautechnik
….
5
6. Zwischenphase
• Naturbrandverfahren werden im Sinne von 3 (3) der MBO nicht als
„gleichwertig“ anerkannt
• Für Sonderbauten jedoch über Abweichung Naturbrandbemessung
möglich wie bisher auch
• Bis 01.07.2012 soll Beschränkung der FK Bautechnik
zurückgenommen werden => Veröffentlichung Beispiele (Beuth-
Kommentar,…)
6
7. EC 1-1-2 und EC 1-1-2/NA
• Normtext
• Informative Anhänge
• Anhang A Parametr. Temperaturzeitkurven => EC 1-1-2/NA AA
• Anhang B Thermische Einwirkungen außenliegende Bauteile
• Anhang C Lokale Brände
• Anhang D Erweiterte Naturbrandmodelle => EC 1-1-2/NA CC
• Anhang E Brandlastdichten (Sicherheitskonzept) => EC 1-1-2/NA
BB
• Anhang G Konfigurationsfaktor
7
8. Änderungen in ECs1-2/NA vs. ENV
• Naturbrandverfahren sind anwendbar
• Sicherheitskonzept steht zur Verfügung
• Leistungsorientierte Brandschutznachweise mit
realistischen Bemessungsbränden sind möglich
• Festlegung von Brandszenarien und Bemessungsbränden
erforderlich
• Einbettung der Brandszenarien in ein ganzheitliches
Brandschutzkonzept erforderlich
• Prüfung der Einwirkung Brand erforderlich (war bei ETK
nicht erforderlich)
8
13. Maßgebliche Brandszenarien
• Brandraumgeometrie
• Brandausbreitung
• Betrachtung „worst case“-
Szenario
• Maßgebliches Szenario häufig
nicht offensichtlich
l = 5,0 m
• objektspezifisches
Brandschutzkonzept erforderlich
l = 5,0 m
13
14. Parameter natürlicher Brand
Brandlast Ventilation Brandraum
Material Öffnungsfläche und Geometrie
Masse -höhe thermische Eigen-
Ort im Brandraum Zwangsluftzufuhr schaften der um-
Stapeldichte Entlüftung gebenden Bauteile
1200
100 MJ/m²
1000 500 MJ/m²
Temperatur [°C]
900 MJ/m²
800
1300 MJ/m²
600 ETK
400
200
0
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
Zeit [min]
14
15. Maßgebliche Größe: Ventilationsöffnung
Parameter: Brandlast bezogen auf Brandraumgrundfläche
70
60
ventilationsgesteuert brandlastgesteuert
50
Rmax [kg/min]
R max 6 A w hw [kg / min]
30 kg/m²
40
30
Bemessungspunkt
15 kg/m²
20
7,5 kg/m²
10
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
A w h w [m5 / 2 ]
15
16. Parameterstudie Einfluss Ventilation
• Fall 1 Fenster geöffnet / Türöffnung variiert
• Fall 2 Fenster geschlossen / Türöffnung variiert
• Fall 3 Fenster über einen Wärmefühler geöffnet
• Fall 4 Berücksichtigung eines Flurs
6
5
4
HRR [MW]
3
2
511 • W/D/H = 3,50/6,75/3,25 m
1 MJ/m²
0
• bw/hw /hsill = 2,0/2,0/1,0 m
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Zeit [s]
• bT/hT = 1,0 / 2,0 m
16
17. Parameterstudie
Fall 1 Fenster geöffnet / Türöffnung variiert
900
Tür 100% offen
800
Tür 50% offen
Tür 10% offen
700
600
Temperatur [°C]
500
400
300
200
100
Brandlastgesteuerter Brand
0
0 600 1200 1800 2400 3000 3600
Zeit [s]
Tür 100% auf Tür 10% auf 17
18. Parameterstudie
Fall 2 Fenster geschlossen / Türöffnung variiert
600
Energiefreisetzung
500 Tür 100% offen 7000
Tür 50% offen 6000
HRR
400 Tür 10% offen
Temperatur [°C]
5000
CONV LOSS RAD LOSS
4000
[kW]
300
3000
2000
200
1000
COND LOSS
0
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Ventilationsgesteuerter Brand Zeit [s]
0
0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Tür 100% auf
Zeit [s]
Tür 100% auf Tür 50% auf 18
19. Parameterstudie
Fall 3 Fenster über einen Wärmefühler bei 300°C geöffnet
900
800
700
600
Temperatur [°C]
500
400
Brandherd Fenster bei
300°C geöffnet
300
Brandherd
200 Fenster zu Beginn auf
100 • Fensterglas wird nach ca. 5-20 min zerstört
0 • Öffnung kann von Beginn des Brandes an
0 600 1200 1800 2400 3000 3600
Zeit [s] angesetzt werden
Vergleich der Temperaturkurven im Brandraum Fensterglas bei 300 °C zerstört
und Fenster von Beginn an geöffnet
19
20. Parameterstudie
Fall 4 Berücksichtigung eines Flurs
• Keine Brandausbreitung über brandlastfreien Flur
• Temperaturzeitverlauf im Brandraum nahezu unabhängig von Lage der
Ventilationsöffnung
900
800
Fenster
Büro Brandherd
700
600
Temperatur [°C]
500
Öffnung im gegenüberliegenden
400 Büro Schlitz
Öffnung im Büro am Ende des Flur am
300 Flurs
Spaltöffnung Boden
200
Büro Büro
100
0
0 600 1200 1800 2400 3000 3600
Zeit [s]
Fenster Fenster
20
21. Ansatz von Ventilationsöffnungen
• Größe Ventilationsöffnung hat sehr großen Einfluss auf
Temperaturzeitverlauf
• maßgebliche Größe Ventilationsöffnung bestimmen (Parameterstudie
od. Bestimmung über Wärmefreisetzungsrate)
• ESG / VSG-Verglasungen versagen bei ca. 300°C => Fenster offen
ansetzen
• Türöffnungen ansetzen, wenn ins Freie oder zu Raum mit
ausreichender Zuluft
• Brandlastfreier Flur verhindert Brandausbreitung hw,i A w,i
i
• Gemittelte Höhe Ventilationsöffnungen hw =
Aw
• Sorgfältige Prüfung der angesetzten Ventilationsöffnungen erforderlich
21
22. Brandraumgeometrie / Brandausbreitung
• Umfassungsbauteile mit ausreichender FW-Fähigkeit
• Begrenzung des Brandes auf den originären Brandraum
• Umfassungsbauteile werden mit Naturbrandverfahren bemessen
• Feuerwiderstandsdauer Raumabschluss Trennwände nach BauO /
SonderbauVO (Bürotrennwände wie Flurtrennwände) F 90 / T 30
• Umfassungsbauteile ohne ausreichende FW-Fähigkeit
• Brandausbreitung in Nachbarräume ist zu untersuchen
• Brand in Nutzungseinheit (i. d. R. max. horizontale Ausdehnung)
• Maßgeblicher Fall ist zu untersuchen
• Brand im originären Brandraum
• Brand in ges. Nutzungseinheit (innere Trennwände vernachlässigt)
22
23. Festlegung des Bemessungsbrandes
• Definition des maßgeblichen Brandszenarios / Bemessungsbrandes
• Szenarienort
• Brandlast
• Ventilationsverhältnisse
• Brandraumgeometrie
• Anlagentechnische Brandschutzmaßnahmen
• Wahl des geeigneten Naturbrandmodells
Beschreibung, Herleitung und Berechnung im Kontext des
Brandschutzkonzeptes
Prüfung
23
25. Parametrische Kurven EC 1-1-2
1200 40
1000
rate of heat release [MW]
temperature test
30
temperaturer [°C]
800
temperature EN 1991
rate of heat release EN 1991
600 20
400
10
200
0 0
0 10 20 30 40 50 60
time [min]
keine zeitliche Korrelation zwischen Wärmefreisetzungsrate und
Temperaturzeitkurve vorhanden
25
26. Grundlage: Bemessungsbrand
brandlastgesteuerter Brand
nd
ventilationsgesteuerter Brand
Wärmefreisetzungsrate [MW]
70% der
Brandlast
verbrannt
Q1 Q2 Q3
Brand- Vollbrandphas
Vollbrandphase Abklingphas
Abklingphase
ausbrei-
tung
t1 Zeit [s] t2 t3 26
27. Wärmefreisetzungsrate Q
• Ventilationsgesteuerter Brand
Fläche der Ventilationsöffnungen Aw
gemittelte Höhe der Ventilationsöffnungen hw
gemittelter unterer Heizwert der Brandlasten Hu
gemittelte Verbrennungseffektivität der Brandlasten
• Wohn- und Büronutzungen
Qmax,v 1,21 A w hw [MW]
27
34. Anwendungsgrenzen EC 1-1-2/NA Kurven
• Grundfläche max. 400 m²
• Höhe max. 5 m
• Keine horizontalen Öffnungsflächen
• Vertikale Öffnungsflächen von 12,5% bis 50%
der Grundfläche
• Brandlast annähernd gleich verteilt
• Brandlastdichte von 100 MJ/m² bis 1300 MJ/m²
• Voll entwickelter Brand (kein lokaler Brand)
• z. B. keine Verkehrsbauwerke mit geringen
Brandlasten, hohen und großen Räumen
35. Sicherheitskonzept nach EC 1-1-2/NA
• Ziel: Sicherstellung der erford. Zuverlässigkeit der
Brandschutzbemessung
– Seltenheit Brandereignis
– Konservative Festlegung des Bemessungsbrandes
– Quantifizierung des Sicherheitsniveaus unter Berücksichtigung
anlagentechnischer Maßnahmen möglich
• Ein-gangs-größen für die Brandeinwirkungen werden mit
Teilsicherheitsbeiwerten beaufschlagt
– max. Wärmefreisetzungsrate
– Brandlastdichte
35
36. Risikoabschätzung
Verhältnis der Auftretenswahrscheinlichkeiten
1-pLA =0,98
Erfolg/ (1) Löschen des Brandes
Verfügbar durch die Löschanlage pE = 0,98
Brand- 1-pFW =0,8
LA (2) Versagen der Löschanlage, 62:1
eintritt
Löschen des Brandes
Versagen/ durch die Feuerwehr pE = 0,016
nicht verfügbar FW
pLA =0,02
4:1
(3) Versagen der Löschanlage
pFW =0,2 und Versagen der Feuerwehr,
die Ausbreitung zu verhindern
pE = 0,004
Wenn das Verhältnis der Bauteilschäden von Szenario 3 zu
Szenario 2 größer als 4:1 ist, dominiert der Risikobeitrag
(Wahrscheinlichkeit x Schaden) von Szenario 3 (Vollbrand)
Berücksichtigung des anlagentechnischen Brandschutzes …
Prof. Dr.-Ing. D. Hosser und Dr.-Ing. C. Klinzmann TU Braunschweig 36
37. Erforderliche Zuverlässigkeit im Brandfall
Der Brand als außergewöhnliches Ereignis:
Auftretenswahrscheinlichkeit p1 1 exp( 1 A t) 1 A t
eines Entstehungsbrandes in einer mit 1 = mittlere Auftretensrate
Nutzungseinheit der Fläche A in t Jahren je m2 Grundfläche und Jahr
Auftretenswahrscheinlichkeit p fi p1 p2 p3
eines Schadenfeuers (Vollbrandes)
mit p2 = Versagen der Löscharbeiten gilt nur bei Unabhängigkeit
p3 = Versagen einer Löschanlage von p1, p2 , p3
Versagenswahrscheinlichkeit eines pf ( )
Bauteils durch Tragfähigkeitsverlust
pf
Bedingte Versagenswahrscheinlich- p f , fi
keit des Bauteils im Brandfall p fi
1
Zuverlässigkeitsindex im Brandfall fi ( p f , fi )
Quelle: Bub et al., 1983
Berücksichtigung des anlagentechnischen Brandschutzes …
Prof. Dr.-Ing. D. Hosser und Dr.-Ing. C. Klinzmann TU Braunschweig 37
38. Erforderliche Zuverlässigkeit
Nutzung Schadensfolgen
hoch mittel gering
pf pf pf
Wohngebäude, Bürogebäude
und vergleichbare Nutzungen 4,7 1,3E-6 4,2 1,3E-5 3,7 1,1E-4
(nach LBO)
Krankenhaus, Pflegeheim,
Beherbergungsstätte, Hotel,
Schule, Verkaufsstätte, 5,2 1,0E-7 4,7 1,3E-6 4,2 1,3E-5
Versammlungsstätte, Hochhaus
Industriegebäude 4,7 1,3E-6 4,2 1,3E-5 3,7 1,1E-4
Landwirtschaftlich genutzte -- -- 4,2 1,3E-5 3,7 1,1E-4
Gebäude
E DIN EN 1991-1-2/NA, Anhang BB
Berücksichtigung des anlagentechnischen Brandschutzes …
Prof. Dr.-Ing. D. Hosser und Dr.-Ing. C. Klinzmann TU Braunschweig 38
39. Teilsicherheitsbeiwerte fi
• Kurve 1: Brandlastdichte pauschal
• Kurve 2: Max. Wärmefreisetzungsrate und Brandlastdichte individuell
39
44. Temperaturverteilung
900
800
30 cm
2 25 cm
700 8
2 5
600 0 cm 2,8 cm
Temperatur [°C]
500 0 cm
2,8 cm
400 25,0 cm
30,0 cm
300 Heißgastemp
200
100
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Zeit [min]
44
46. Zusammenfassung und Fazit
• Bedeutung Brandszenarien und Bemessungsbrand
• Leistungsorientierte Brandschutzbemessung muss im
Kontext zu ganzheitlichem Brandschutzkonzept stehen
• Sicherheitskonzept garantiert Sicherheisniveau
• Naturbrandmodelle liefern realistische Ergebnisse
• Komplexe Nachweise erfordern sorgfältige Prüfung
• Brandeinwirkung/Bemessungsbrand/Brandschutzkonzept
• Brandschutznachweis des Tragwerks
46
47. Kontaktinformationen
hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19 Geschäftsführer:
10245 Berlin Dipl.-Ing. Margot Ehrlicher Amtsgericht
Dipl.-Inf. BW (VWA) Stefan Truthän Berlin Charlottenburg
Rosental 5 Dipl.-Ing. Karsten Foth HRB 78 927
80331 München
Prokurist: Deutsche Bank P+G AG
Kurze Mühren 20 Dipl.-Ing. Harald Niemöller BLZ 100 700 24
20095 Hamburg Konto-Nr. 1419100
Beirat: IBAN-Nr. DE52100700240141910000
Wilhelm-Leuschner-Straße 41 Prof. Dr.-Ing. Dietmar Hosser Swift-Code: DEUTDEDBBER
60329 Frankfurt am Main Dr.-Ing. Karl-Heinz Schubert Ust-IdNr. DE217656065
Frankfurter Straße 2 email@hhpberlin.de Phone: +49 (30) 89 59 55 0
38122 Braunschweig www.hhpberlin.de Fax: +49 (30) 89 59 55 9 101
47
48. Abgrenzung ventilations-/brandlastgest. Brand
• Abgrenzung über die Wärmefreisetzungsrate bzw. Abbrandrate
• Allgemeine Naturbrandmodelle: Prüfen ob Bemessungs-
Energiefreisetzungsrate umgesetzt wird
• Vereinfachte Naturbrandmodelle: Näherungsgleichungen bzw.
Gleichsetzen der max. Energiefreisetzungsrate ventilations-/
brandlastgesteuerter Brand
ventilationsgesteuert brandlastgesteuert
Q vent 0,1 Hu A w hw [MW] Qbrandl Q f ,A A f [MW]
Q vent ,W B 121 A w hw [MW]
, Qbrandl,W B 0,25 A f [MW]
48
48
49. Validierung EC 1-1-2/NA-Kurven
• Vergleichsrechnungen mit Zonen- und Feldmodellen
• Nachrechnung von dokumentierten Brandversuchen
• Durchführung Validierungsversuch
• Validierungskriterien
Maximaltemperatur
Integral der Temperaturzeitkurve
(Maß für Energieeintrag in die Bauteile)
nach 30, 60, 90 und 180 Minuten
49
50. Validierungsversuch Aufbau
3,60 m
Abzugshaube
1,45 m
M2 M3
M1
0,70 m
2,60 m
3,20 m
M4
Tür
1,80 m
S7
M5
Brandlast 1,45 m M7 M6
1,00 m
3,60 m
3,20 m
50