Design of multi-storey steel structures for realistic fire-exposure

Die Brandschutzanforderungen an Bauteile beziehen sich auf die Einheitstemperaturzeitkurve (ETK), die alle den Brand beeinflussenden Randbedingungen auf der sicheren Seite liegend abdecken soll. Durch diese pauschalisierende Bemessungsgrundlage sowie der Bemessung von aus dem Gesamttragwerk herausgelösten Einzelbauteilen resultieren teilweise überhöhte und undifferenzierte Anforderungen, die die Stahlbauweise im Vergleich zu massiven Bauweisen benachteiligen. Die Konsequenz daraus führt i. d. R. dazu, dass Stahlbauteile bekleidet werden müssen. In dieser Arbeit werden Verfahren vorgestellt, mit denen einerseits die thermische Einwirkungen realer Brände in mehrgeschossigen Gebäuden bei einer realistischen Brandentwicklung und andererseits die Tragreserven in Bauwerksystemen mehrgeschossigen Stahl-Verbundkonstruktionen unter Berücksichtigung von Lastumlagerungen von brandbeanspruchten zu nicht-brandbeanspruchten Tragwerksteilen in Ansatz gebracht werden können. Durch diese risikogerechte brandschutztechnische Beurteilung und Bemessung können übermäßige Anforderungen gesenkt und Kosten bei Brandschutzmaterialien wie z. B. Bekleidungen und dämmschichtbildenden Anstrichen eingespart werden. Auf der Grundlage eines definierten Bemessungsfeuers werden Temperaturzeitverläufe natürlicher Brände in Abhängigkeit der tatsächlich vorhandenen Randbedingungen ermittelt, mit vereinfachten Gleichungen in Form von sogenannten Realbrandkurven formuliert und nach verschiedenen Methoden validiert. Mit den Realbrandkurven lassen sich die thermischen Einwirkungen eines natürlichen Brandes in mehrgeschossigen Wohn- und Bürogebäuden für die Bauteilauslegung realistischer als mit der ETK erfassen, ohne auf die Anwendung relativ komplizierter Wärmebilanzmodelle angewiesen zu sein. Im Vergleich zu anderen vereinfachten Verfahren zur Bestimmung von Temperaturzeitverläufen in Wohn- und Bürogebäuden zeichnet die Realbrandkurven aus, dass sie auf einem international anerkannten Ansatz für die Energiefreisetzungsrate basieren und die vorhandenen Ventilationsverhältnisse sowie ggf. auch Änderungen der Randbedingungen (Glasbruch, Wanddurchbruch, Zellenbauweise, Eingriff der Feuerwehr) berücksichtigen können. Für die Durchführung von Tragwerksanalysen im Brandfall wird ein Rechenmodell beschrieben, mit dem das Trag- und Verformungsverhalten von Gesamttragwerken mit Bauteilen aus Stahl und Beton mittels FE-Analyse simuliert werden kann. Das Rechenmodell wird durch Nachrechnung von Brandversuchen an Bauteilen und Teiltragwerken validiert. Auf der Basis der numerischen Berechnungen wird aufgezeigt, wie Bauwerksysteme in Stahl-Verbundbauweise aus der Sicht des Brandschutzes optimiert werden können. Durch Optimierung der Träger/Stützenverbindungen können die im Brandfall auftretenden Zwangkräfte in den Stahlträgern und Anschlüssen reduziert werden. Aufgrund von Parameterstudien für verschiedene Brandszenarien werden Randbedingungen formuliert, unter denen die Ausführung ungeschützter Stahlbauteile in einem Gesamttragwerk möglich ist. Bei der Brandschadensanierung bieten Bauwerksysteme mit momentfreien Stahlbauanschlüssen sowie aufliegenden Beton-Fertigteilelementen große Vorteile. Aufgrund des modulartigem Aufbau des Tragwerks können Stahlträger und Deckenplatten im geschädigten Bereich entfernt werden, ohne dass das Resttragwerk in seiner Standsicherheit gefährdet wird.The current basis of requirements regarding fire-protection in building codes in Germany and most other countries of the world is the ISO 834 temperature-time curve. It is supposed to cover all boundary conditions concerning fire load, ventilation and construction on the safe side. Because of this simplified design basis and the design of single components isolated of the overall structure, excessive requirements may partially result. These requirements can lead to a disadvantage of the steel construction compared to solid constructions. Consequently, steel structures usually have to be protected. A fire safety design that considers the actual boundary conditions has to take into account the load-bearing and deformation behaviour of structural elements embedded in the entire structure. In this dissertation a method is presented that can be used to describe the thermal action of natural fires in multi-storey buildings considering a realistic fire spread. It is shown how the load carrying capacity of multi-storey steel-composite structures can be utilised considering the load redistribution of fire-exposed parts of the structure to non fire-exposed parts. As a result of a so-called risk-oriented fire safety design method, excessive requirements and costs of fire protection materials can be reduced. On the basis of a defined design fire temperature-time curves of natural fires are determined by heat balance simulations and formulated in simplified equations as so-called real fire curves. The real fire curves are validated by comparison calculations as well as experimental data. In contrast to the ISO 834 temperature-time curve the thermal action of a fire in multi- storey residential and office buildings can be grasped realistically by the real fire curves. The real fire curves enable a simplified method to ascertain the thermal exposures of a natural fire to the structure without applying sophisticated heat balance models. In comparison to existing simplified methods for calculating the temperature-time-curve of a natural fire, the real fire curves offer a lot of advantages: They are based on an internationally accepted approach of the rate of heat release, they consider the actual ventilation conditions and the modification of the boundary conditions (breakage of glass, compartmentation failure, cell construction, fire fighting) as well. By numeric simulations on the basis of a validated computer model it is shown, how steel and composite structural systems can be optimised to reduce the forces caused by the axial and flexural restraint in case of a fire. For different fire scenarios the load and deformation behaviour of a module-like building system is investigated. It is shown that unprotected steel members can be used if they are embedded in an overall structure and some rules of structural detailing are observed. Therefor a realistic development of the fire considering a successive fire spread has to be taken into account. For structural restoration and repair after a fire building systems with pinned steel connections and prefabricated floor slabs offer advantages. Due to the module-like assembly of the structure steel girders and floor slabs in the affected area can be removed without endangering the stability of the rest of the structure