Mit immer fortschrittlicheren Methoden haben wir jetzt viel mehr Möglichkeiten, einen Designvorschlag unter anderen als den normalen Bedingungen zu überprüfen, z. B. im Falle eines Brandes. Es besteht keine Notwendigkeit mehr, vereinfachte oder tabellarische Methoden anzuwenden, die früher ungenaue und zu konservative Ergebnisse lieferten. Es ist jetzt möglich, einen Entwurf, einschließlich seiner Details, einer fortgeschrittenen Analyse zu unterziehen. IDEA StatiCa Connection bietet Ihnen die Berechnung des Feuerwiderstands nach Normen, einschließlich Brandberechnung (EN/AISC). 

Außerdem ist es gar nicht so kompliziert. Lassen Sie uns etwas Klarheit über das Thema schaffen.

Wie man Heissbemessung durchführt

Beim Erreichen des Höhepunkts des Brandschutzes stehen uns mehrere Methoden zur Verfügung:

• Tabellenmethode
• Vereinfachtes Design (Verifizierung einzelner Elemente bei Normaltemperatur)
• Advanced Design (Nachweis einschließlich numerischer Berechnung des Feuerwiderstands für Verbindungen)

Bisher wurden vereinfachte Methoden verwendet, entweder die Tabellenmethode oder Vereinfachtes Design wurde mit der grundsätzlichen Überlegung verwendet, dass die Verbindungen mehr Material haben und sich langsamer erwärmen als die anderen Elemente. Dies hat zu Sicherheitslücken und auch wirtschaftlichen Ineffizienzen geführt.Vereinfachtes Design mit einem analytischen oder numerischen Ansatz, jedoch nur für einzelne Bauteile, die Standardtemperaturen ausgesetzt sind. Die Berechnung der Feuerwiderstände für Stahlanschlüsse wurde überhaupt nicht verwendet.

Wie können wir damit umgehen? Es gibt eine einfache Lösung - eine sorgfältige Untersuchung. Advanced Design bei erhöhten Temperaturen kann diese Schwachstellen ausgleichen. Das ist vor allem für Gebäude von größerer Bedeutung, wie Flughäfen, Stadien, Krankenhäuser usw. wichtig. Darüber hinaus haben wir die Möglichkeit, eine numerische Berechnung für erhöhte Temperaturen durchzuführen, nicht nur für die Bauteile, sondern auch für die Verbindungen!

Werfen wir einen Blick auf das in IDEA StatiCa verwendete Berechnungsprinzip und die Vorgehensweise bei der Bemessung von Stahlverbindungen im Allgemeinen.

Der Kern der Berechnung 

Die Berechnung des Feuerwiderstands basiert auf Brandklassen und Einheits-Temperaturzeitkurve.

Der erste Input ist aus der Projektspezifikation bekannt. Die Brandklasse ist eine Ausgabe, die normalerweise Teil der von der Feuerwehr genehmigten Brandschutzdokumentation ist. Sie gibt die Zeit an, die das Gebäude standhalten muss, damit alle Personen das Gebäude sicher verlassen können, bevor es einstürzt. Die Zeit kann zwischen 15 und 240 Minuten (R15 bis R240) variieren und wird von vielen Parametern beeinflusst, wie z. B. Funktion und Größe des Gebäudes, Anzahl der Stockwerke, Lage der Ausgänge und vieles mehr. In der Praxis bedeutet dies, dass Sie ein Gebäude entwerfen können, das schwieriger zu verlassen ist, aber bis zu vier Stunden halten muss, oder das Gebäude kann nach 15 Minuten zusammenbrechen, wenn es schnell genug verlassen werden kann. Aber denken Sie daran, es liegt nicht an Ihnen, dem Statiker, sondern an der Bau- und Feuerwehrbehörde.

Als nächsten Parameter müssen Sie eine Einheits-Temperaturzeitkurve wählen, die den Brennvorgang darstellt. Mit anderen Worten, die Erwärmung der Luft im Laufe der Zeit. In Wirklichkeit würde die Kurve abfallen, sobald es nichts mehr zu verbrennen gibt. Aus Designgründen wurde jedoch auf der Grundlage von Tests eine künstliche Kurve erstellt und aufgeblasen, um konservative Ergebnisse zu erhalten. In IDEA StatiCa können Sie aus mehreren Kurven nach Eurocode (ISO 834/Standardfeuer) wählen ) oder AISC (ASTM E119), aber auch Spezielle Kurven für eine schnellere Brandausbreitung, wie Kohlenwasserstoff für Ölplattformen, Schiffe oder Industrieanlagen.

Anhand der Art der Kurve und anderer Materialparameter und Abmessungen berechnet die Software die Temperatur einzelner Elemente (Platten) bei a spezifische Zeit, entsprechend der Brandklasse, unter Verwendung einer inkrementellen Methode. Die Temperatur von Schrauben und Schweißnähten wird anhand der heißeren verbundenen Platte ermittelt. Die automatische Berechnung der Platte erfolgt nach gültigen Normen und es kann angegeben werden, ob Brandschutz zum Einsatz kommt oder nicht. Gleichzeitig bleibt auch die Möglichkeit erhalten, die Temperatur einzelner Elemente manuell einzugeben.

Abhängig von der Temperatur der Komponenten nimmt die Degradation des Materials und damit die zu Anschließend wird der Koeffizient ermittelt, der die Materialeigenschaften verringert. Die Normprüfungen von Blechen, Schrauben und Schweißnähten erfolgen dann wie bei der klassischen Spannungs- und Dehnungsanalyse, verwenden jedoch reduzierte Werte.

Based on the type of fire curve and other material parameters and dimensions, the software calculates the temperature of individual elements (plates) at a specific time, according to the fire class, using an incremental method. The temperature of bolts and welds is taken as per the hotter connected plate. The automatic calculation of the plate is taken according to valid standards, and it is possible to specify whether fire protection is used or not. At the same time, the possibility to enter the temperature of individual elements manually is also maintained.

In Abhängigkeit von der Temperatur der Bauteile wird dann die Degradation des Materials und damit der Koeffizient, der die Materialeigenschaften reduziert, bestimmt. Die Code-Nachweise von Platten, Schrauben und Schweißnähten sind dann die gleichen wie bei der klassischen Spannungs- und Dehnungsanalyse, verwenden aber reduzierte Werte.

Schauen Sie, was Sie bekommen

Schauen Sie sich die folgende kurze Demonstration der Ergebnisse der Feuerwiderstandsanalyse in IDEA StatiCa Connection an, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie sich die Verbindung unter verschiedenen Bedingungen verhält und wie die Theorie angewendet wird.

Zuerst werde ich mit einer Spannungs- und Dehnungsanalyse prüfen, ob die Verbindung passt. 

Dann erstelle ich eine Kopie und erstelle eine Feuerwiderstandsanalyse. In den Einstellungen wähle ich die niedrigste Brandklasse, R15, und eine Standard-Einheits-Temperaturzeitkurve nach dem Eurocode. Ich werde absichtlich eine Verbindung ohne Brandschutz erstellen.

In den dargestellten Ergebnissen ist zu erkennen, wie sich die einzelnen Bauteile ohne Brandschutz innerhalb von 15 Minuten erhitzen und wie sich dies auf die Materialeigenschaften und damit auf die Tragfähigkeit der geprüften Verbindung auswirkt. Es ist zu erkennen, dass in nur 15 Minuten an einigen Bauteilen eine Temperatur von über 700 °C erreicht wird.

Durch die Zugabe von Brandschutz erreichen wir sofort ganz andere Werte, vor allem in so kurzer Zeit. Die Platten haben keine Zeit, sich zu erwärmen, und die Zersetzung des Materials ist kein Thema.

Bei einer Erhöhung der Klasse auf R90 und damit einer Verlängerung der Zeit, in der das Bauwerk dem Feuer standhalten muss, erreichen wir wieder Temperaturen um 700 °C. Mit dem Brandschutz bleibt jedoch im ersten Fall genügend Zeit für die Evakuierung.

Mit Hilfe eines numerischen Modells konnten wir diesen einfachen Vergleich verschiedener Fälle in wenigen Minuten durchführen. Aus den Ergebnissen lässt sich auch leicht ablesen, welches Bauteil voraussichtlich der schwächste Punkt der Konstruktion ist.

Endlich

Wie oben gesehen, muss die Planung für die Auswirkungen von Feuer kein großer Aufwand sein. Idea StatiCa hilft Ihnen beim Entwurf einer Struktur, die sicher für den Gebrauch und gleichzeitig wirtschaftlich ist. Es besteht keine Notwendigkeit, veraltete konservative Methoden zu verwenden.

Zusätzlich zum Feuerwiderstand in IDEA StatiCa Connection bieten wir auch eine Lösung zur Überprüfung aller Mitglieder in IDEA StatiCa Member.

Weitere Theorie finden Sie im Wissensdatenbankartikel Brandschutzplanung oder in den Verifizierungsfällen. CTU durchgeführt von Professor Wald.