Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Stahlbauteile unter Druck und Biegung - Konsistente Nachweise für den Brandfall

Die Brandbemessung stellt einen bedeutsamen Aspekt für die sichere und wirtschaftliche Bemessung von Stahlkonstruktionen dar. Brände in Gebäuden können enorme Konsequenzen nicht nur für deren Besitzer und Nutzer, sondern auch für die Gesellschaft im Allgemeinen haben. Dies schließt Folgen für Personen und Umwelt sowie kulturelle, materielle und wirtschaftliche Verluste ein. Ergänzend zu einem geeigneten Konstruieren für den Brandfall bedarf es guter Kenntnisse des grundlegenden Tragverhaltens von Stahlkonstruktionen im Brandfall sowie sicherer, wirtschaftlicher und zugleich einfach anwendbarer Nachweisverfahren, insbesondere für Stabilitätsprobleme von H-/I-Querschnitten und Hohlprofilen bei erhöhten Temperaturen. Hinsichtlich dieser Kriterien geeignete Bemessungsverfahren unter Berücksichtigung des Biegeknickens und Biegedrillknickens von Stahlbauteilen sind aufgrund der im Allgemeinen schlanken Stäbe für die sichere und wirtschaftliche Brandbemessung von Stahlbauten besonders wichtig.

Das Forschungsvorhaben beabsichtigt ein konsistentes Nachweiskonzept für die Bemessung von druck- und biegebeanspruchten Stahlbauteilen im Brandfall zu entwickeln. Das vorhandene Nachweisverfahren soll auf der Grundlage von Ergebnissen numerischer Simulationen und in der Literatur verfügbarer experimenteller Studien weiterentwickelt und dem entsprechenden Verfahren bei Normaltemperatur angepasst werden. Zudem sollen die wissenschaftlichen Grundlagen zur Erweiterung des Anwendungsbereichs des Nachweisverfahrens für hochfeste Stähle erarbeitet werden.

Die zu entwickelnden Nachweisverfahren tragen dazu bei, Brandschutzmaßnahmen auf das erforderliche Maß zu reduzieren und Planungssicherheit zu erzielen. Dies dient der Stärkung des Marktanteils der Stahlbauweise im Hochbau und nutzt unmittelbar und mittelbar in Planung, Fertigung, Montage und Betrieb von Geschoss- und Industriebauten aus Stahl involvierten KMU.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben ‚Stahlbauteile unter Druck und Biegung – Konsistente Nachweise für den Brandfall‘ wurden vorhandene Bemessungsmodelle für stabilitätsgefährdete Bauteile im Brandfall bewertet und neue Verfahren entwickelt. Während die Nachweismodelle für Normaltemperatur sich in den letzten 40 Jahren stetig weiterentwickelt haben, entspricht das aktuelle europäische Verfahren für erhöhte Temperaturen noch dem Stand der 1990er Jahre. Hierdurch sind Differenzen entstanden sowohl in der Methodik als auch in der Anwendbarkeit. So werden beispielsweise die Anwendungsgrenze in der nächsten Generation des Eurocodes für normale Temperaturen prEN 1993-1-1 auf Stahlgüten bis zu S700 ausgeweitet, während das Modell für den Brandfall bisher ausschließlich für Stähle der Güten S235 und S355 systematisch entwickelt und überprüft ist.

Daten von Werkstoffuntersuchungen aus der Literatur wurden zusammengetragen und grundlegende Erkenntnisse zur Anwendung von hoch- und höchstfesten Stählen im Brandfall erarbeitet. Basierend auf analytischen und numerischen Analysen wurde das Tragverhalten von stabilitätsgefährdeten Stahlbauteilen im Brandfall mit Beanspruchungen durch eine Drucknormalkraft und ein- oder zweiachsiger Biegung untersucht. Mit den Kenntnissen des Tragverhaltens wurden die aktuelle Bemessungsmodelle überprüft und bewertet. Des Weiteren wurde ein zur Bemessung bei normalen Temperaturen konsistentes Nachweisformat entworfen, welches dem Stand der Technik der kommenden Generation des Eurocodes entspricht. Eine statistische Auswertung belegt im Vergleich zu den bestehenden Verfahren die Güte des entwickelten Bemessungsmodells.

Das normgerechte Nachweismodell für stabilitätsgefährdete Stahlbauteile bei erhöhten Temperaturen wird in der nächsten Sitzung der Working Group 2 des SC3 vorgestellt. Das entwickelte Modell soll als sog. Early Amendment in die Tragwerksnorm EN 1993-1-2 integriert werden.