Stahl im Brandfall

Brandverhalten von Stahl

Im Brandfall versagen ungeschützte Stahlbauteile bei üblichen Lastausnutzungen nach ungefähr 15 bis 20 Minuten. Die Ursache hierfür ist seine hohe thermischen Wärmeleitfähigkeit, wodurch sich der Stahlquerschnitt schnell erwärmt. Im Vergleich zum Stahlbeton mit λ=2-3 W/(m*K) weist Kohlenstoffstahl mit λ=50 W/(m*K) eine ca. 25-fach höhere Wärmeleitfähigkeit auf.

Aufgrund der schnellen Erwärmung sinken die Streckgrenze und der Elastizitätsmodul des Baustahls im Brandfall sehr schnell. Dies führt aufgrund der zunehmenden Entfestigung entweder zum Querschnittsversagen (infolge der Reduktion der Streckgrenze) oder zum Stabilitätsversagen (Knicken oder lokales Beulen infolge der Reduktion des Elastizitätsmoduls).

Tragwerksbemessung für den Brandfall nach den Eurocodes

Die thermischen und mechanischen Materialkennwerte von brandbeanspruchtem Baustahl finden sich in EN 1993-1-2. Die Eurocodes mit den Endungen "1-2" werden auch die "heißen" Eurocodes genannt, weil sich sich jeweils mit den Materialkennwerte von Beton (EN 1992-1-2), Baustahl (EN 1993-1-2), Stahlverbundbau (EN 1994-1-2) und Holz (EN 1995-1-2) befassen.

Diese Materialgesetze sind in speziellen Programmen für den Brandschutznachweis von Bauteilen (auch Heißbemessung genannt) hinterlegt. Die Programme greifen dabei in der thermischen Analyse auf die thermischen Materialkennwerte zurück, während sie für die mechanische Analyse die mechanischen Materialkennwerte verwenden.

Thermische Materialkennwerte von brandbeanspruchtem Baustahl

Thermische Dehnung

Die thermische Dehnung von Baustahl Δl/l hängt wie folgt von der Stahltemperatur θ_a ab gemäß EN 1993-1-2 (Fassung von 2010):

• von 20°C ≤ θ_a < 750°C:       Δl/l = 1,2*10^-5 * θ_a + 0,4*10^-8 * θ_a² - 2,416*10^-4
• von 750°C < θ_a ≤ 860°C:     Δ l/l = 1,1*10^-2
• von 860°C < θ_a ≤ 1200°C:   Δl/l = 2*10^-5 * θ_a - 6,2*10^-3 * θ_a

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Baustahl λ_a in W/(m*K) ergibt sich nach EN 1993-1-2 (Fassung von 2010) in Abhängigkeit von der Stahltemperatur θ_a zu:

• von 20°C ≤ θ_a < 800°C:       λ_a = 54 - 3,33*10^-2 * θ_a
• von 800°C ≤ θ_a ≤ 1200°C:   λ_a = 27,3 * θ_a

Spezifische Wärmekapazität

Die spezifische Wärmekapazität ist ein Maß dafür, wieviel Energie (in Joule) zugeführt werden muss, um 1 kg Baustahl um 1°C zu erwärmen. Die spezifische Wärmekapazität von Baustahl c_a in J/(kg*K) hängt wie folgt von der Stahltemperatur θ_a ab gemäß EN 1993-1-2 (Fassung von 2010):

• von 20°C ≤ θ_a < 600°C:       c_a = 425 + 7,73*10^-1 * θ_a - 1,69*10^-3 * θ_a² + 2,22*10^-6 * θ_a³
• von 600°C ≤ θ_a < 735°C:     c_a = 666 + 13002÷(738 - θ_a)
• von 735°C ≤ θ_a < 900°C:     c_a = 545 + 17820÷(θ_a - 731)
• von 900°C ≤ θ_a ≤ 1200°C:   c_a = 650

Dichte von Baustahl

Nach EN 1993-1-2 (Fassung von 2010) darf angenommen werden, dass die Rohdichte ρ_a = 7850 kg/m³ von Baustahl unabhängig von der Temperatur ist.

Mechanische Materialkennwerte von brandbeanspruchtem Baustahl

Streckgrenze

Ab einer Temperatur von 400°C sinkt die Streckgrenze von Baustahl rapide ab. Der temperaturabhängige Reduktionsfaktor k_y,θ für die Fließgrenze f_y,θ ist im untenstehenden Diagramm zu finden.

Elastizitätsmodul

Der Elastizitätsmodul von Baustahl hängt ebenfalls von der Temperatur ab. Der Elastizitätsmodul von Baustahl sinkt bereits ab 100°C. Dies begünstigt das Stabilitätsversagen von ungeschützten Stahltragwerken im Brandfall. Im Diagramm unten ist der Reduktionsfaktor k_E,θ für den Elastizitätsmodul über der Temperatur abgetragen.

Wie ich Ihnen helfen kann.

Ich biete Ihnen eine kurzfristige Heißbemessung. Die Dokumentation enthält die wesentlichen Informationen zur Erwärmung des Querschnittes, der Feuerwiderstandsdauer des Bauteils sowie den Verformungen. Weitere Leistungen können natürlich in Abstimmung mit Ihnen erbracht werden.

Was sind Ihre Vorteile?

Die Heißbemessung erspart dem Bauherrn oft Kosten. Bei Neubauten können schlankere und somit wirtschaftlichere Konstruktionen ausgeführt werden. Beim Bauen im Bestand können umfangreiche Ertüchtigungsmaßnahmen durch einen genauen rechnerischen Nachweis oftmals vermieden werden.

Meine Erstberatung für Ihr Vorhaben

Um Ihre konkrete Aufgabenstellung zu klären, rufen Sie mich am besten an. Oder Sie schicken mir eine E-Mail mit ein paar Eckdaten. Auf dieser Grundlage können wir die Rahmenbedingungen besprechen und ich Ihnen ein attraktives Angebot erstellen.