In der Mythologie nimmt die Kontrolle über das Feuer – wie auch jene über das Wasser, über das Wetter, über den Boden und über die Fruchtbarkeit – eine herausragende Rolle ein. In unserer gebauten – und „sicheren“ -Umwelt spielt das Feuer eine ernstzunehmende Gefahr mit großen Risiken dar. Besonders bei mehrgeschossigen Hochbauten – und Holzbauten.
Die Feuerwehr übt für uns alle gleichzeitig Faszination, aber auch Ehrfurcht aus, weil die Feuerwehrmänner und Feuerwehrfrauen sich selbst der größten Gefahr aussetzen, diese unter Kontrolle bringen, um unsere Schutzgüter zu retten. Modernes Heldentum sozusagen.
Das zeitgenössische Bauen wird durch zwei Entwicklungen wesentlich geprägt [1]: Erstens die Bauphysik und insbesondere die Wärmedämmung. Zweitens der Brandschutz. Wobei der Brandschutz eigentlich das Bauen über alle Zeiten hinweg prägte. Dass im Mittelalter das Holz als Werkstoff in den Hintergrund rückte, hat nicht nur Gründe in der schwindenden Ressource Holz, sondern besonders auch im Problemfall Brandschutz. Im mehrgeschossigen Holzbau ist der Brandschutz heute der wesentliche, limitierende Faktor.
Der Brandschutz ist heute disziplinär in der Bauphysik angeordnet. Die Schadensauswirkungen sind in der Bauphysik allerdings sehr unterschiedlich. Fehler im Wärmeschutz äußern sich am ehesten im Energieverbrauch (und in Schimmelpilzen), Fehler im Schallschutz sind über Messungen festzustellen, Fehler im Feuchteschutz werden relativ schnell bemerkbar. Fehler im Brandschutz betreffen hingegen den Ernstfall. Im Ernstfall ist es auch schon zu spät und die Fehler wirken sich fatal auf Leben und Sachobjekte aus [2].
Spricht man von Brandschutz, sind verschiedene Ebenen gemeint. Einerseits der vorbeugende Brandschutz, der bautechnisch und betrieblich ist, und sodann der abwehrende Brandschutz, wo Feuerwehr und Zivilschutzeinrichtungen relevant werden. Die Ziele in Richtung Brandschutz sind in der Folge: Brandverhütung, Vermeidung lebensbedrohender Situationen sowie die Räumung.
Der Brand selbst entsteht durch eine Zündenergie und Sauerstoff bei Vorhandensein eines brennbaren Stoffes. Es kommt folglich wesentlich auf die Brandlast und die Sauerstoffzufuhr an, die darüber entscheidet, ob ein Brand überhaupt ausbricht oder – wenn ausgebrochen – schnell verpufft. Organische Verbindungen spalten sich bei hohen Temperaturen, die im Brandfall entstehen, auf und zersetzen sich. Die Spaltprodukte sind brennbar und beschleunigen den Brand. Nicht brennbare Bestandteile bleiben als Asche zurück.
Ist der Brand erst einmal ausgebrochen, dann stellt sich die Frage, wie sich die Wärme ausbreitet. Grundsätzlich vollzieht sich die Wärmeausbreitung bauphysikalisch durch Wärmeleitung bei Feststoffen, durch Konvektion in Fluiden und durch die Wärmestrahlung, die folglich auch weiter entfernte Bereiche erreichen kann. Dadurch dass durch Volumenvergrößerung, Rauch- und Gasentwicklung ein Überdruck entsteht, kann sich der Brand über Fugen leicht ausbreiten.
Grundsätzlich besteht ein Brandverlauf aus der Entzündungsphase, dann aus der Brandentstehungsphase oder aus dem Schwelbereich, durch den Feuerübersprung entsteht ein voll entwickelter Brand, welcher irgendwann, wenn die Brandlasten abgebaut sind, in die Abkühlungsphase übergeht.
Der Brandbeginn ist wesentlich durch die Entzündlichkeit und Entflammbarkeit der verwendeten Materialien geprägt. Folglich sind die Oberflächen unserer Bauwerke neben den Brandlasten wesentlich. Es folgt der Bereich, der durch die Flammenausbreitung und durch die Wärmeentwicklung gekennzeichnet ist. Setzt in diesem Bereich der Einsatz von Löschanlagen ein, dann kann ein Vollbrand verhindert werden. Im voll entwickelten Brand entscheidet das Verhalten der nicht brennbaren Baustoffe, aber auch das Brandverhalten der Bauteile und der Konstruktion. Beim so genannten „Flashover“ oder Feuerübersprung brennen schlagartig alle brennbaren Bereiche im Raum, wozu heiße Brandgase beitragen.
Um das Brandverhalten von Bauteilen beurteilen zu können, wurde die Einheitstemperaturkurve eingeführt, die einen Vergleichsmaßstab darstellt. Für die Praxis ist diese Einheitstemperaturkurve, die die Bedingungen in einem Prüfstand betrifft, wenig geeignet, aber üblich. Der Vorteil besteht darin, dass das Brandverhalten unabhängig von den konkreten Raumkonstellationen mit Brandlasten beschrieben werden kann. Der Nachteil besteht in der Verhältnislosigkeit zum realen Brand. Das reale und natürliche Brandverhalten in einem Raum hängt nicht nur von der Brandlast, sondern ebenso wesentlich von der Lage des betrachteten Bauteiles im Raum ab, sodass eine Analyse der Wärmeentwicklung wesentlich ist.
Um die Einheitstemperaturkurve mit einem natürlichen Brand zu vergleichen, wird die äquivalente Branddauer herangezogen. „Als äquivalente Branddauer wird die Zeitdauer eines Normbrandes definiert, bei der die gleiche Schadenswirkung am Bauteil entsteht wie durch den Gesamtablauf eines natürlichen Schadensfeuers“ [1]. Verglichen wird folglich ein natürlicher Brand mit der Einheitstemperaturkurve. Ermittelt wird die maximale Temperaturentwicklung im Rahmen einer Naturbrandkurve. Der „Nachteil“ der Einheitstemperaturkurve ist nämlich, dass die Temperatur nie abklingt. Diese Einheitstemperaturkurve wird auf das Bauteil selbst ausgelegt. Die maximale Temperatur im Naturbrand wird folglich mit der gleichen Temperatur in der Einheitstemperaturkurve des Bauteils verglichen. Der entsprechende Temperaturwert der Einheitstemperaturkurve des Bauteils entspricht der äquivalenten Branddauer.
Je nach Brandlast muss das Bauteil folglich nicht einen 90-minütigen Normbrand aushalten, weil aus der Analyse des natürlichen Brandverlaufs hervorgeht, dass nach einer deutlich kürzeren Zeit der Brand bereits abgeklungen ist.
Gerade beim Thema Brandschutz ist die Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen relevant. Baustoffe werden in brennbar und nicht-brennbar sowie nach ihrem Beitrag zum Brandgeschehen in verschiedene Klassen eingeteilt und dann auch noch nach ihrem Rauchverhalten und dem Abtropfverhalten klassifiziert. Für Bauteile gelten hingegen andere Anforderungen. Bauteile müssen in der Bemessungszeit ihre festgelegten Eigenschaften, also ihre Feuerwiderstandsdauer erhalten. Die europäische Klassifikation REI unterscheidet R – Tragfähigkeit, E – Raumabschluss und I – Wärmedämmung. Aus dem Französichen ergeben sich die Begriffe R (Résistance), E (Etanchéité) und I (Isolation). REI 90 bedeutet die Erfüllung dieser Kriterien für zumindest 90 Minuten.
Der Feuerwiderstand hängt nicht nur vom Baustoff ab, sondern von der Art der Brandbeanspruchung, von Bauteilabmessungen, von Auflagerausbildungen, von den Verbindungen, vom statischen System, vom statischen Ausnutzungsgrad und von allfälligen Bekleidungen. Das Baustoffverhalten ist folglich noch lange nicht für das Bauteilverhalten ausschlaggebend.
Aus dem Werkstoffverhalten ergeben sich die Konsequenzen für die Tragwerksplanung. Indem Querschnitte durch die hohen Temperaturen – mehr oder weniger – an Tragfestigkeit verlieren, bilden sich durch die Fließgelenktheorie alternative statische Systeme aus, bis das Tragwerk versagt [4]. Gerade im Stahlbau ist dieses Verhalten durch das Aufschmelzen des Querschnitts gut vorstellbar. Im Stahlbetonbau schützt der Beton den Bewehrungsstahl bis zu einer bestimmten Erwärmung des Querschnitts und im modernen Holzbau werden die Verbinder und Schrauben begrenzt durch das Holz geschützt.
Das Problem mit dem Baustoff- und dem Bauteilverhalten wird bei Holz deutlich. Während das Gebäude in Beton natürlich auch brennt, weil die Inneneinrichtung über eine Brandlast verfügt, brennt das Holzhaus weiter und Beton nicht. Im Gegensatz zu Stahl – und im Entfernten auch Stahlbeton – verhält sich Holz im Brandfall kontrolliert, weil nach Verkohlung der Oberfläche der Brand nicht weiter brennt. Das gilt allerdings für die Holzbauverbinder nur begrenzt. Abseits dessen brennt Holz aber aus und verkohlt aus. Das schützt zwar Menschenleben und erhält die Tragfähigkeit, das Bauwerk ist dann aber nicht mehr nutzbar.
Im modernen Bauingenieurwesen sind innovative Methoden unabdingbar, um Tragwerke und Bauwerke im Sinne des Brandschutzes effizient zu bemessen und dabei auch dynamische Faktoren wie den betrieblichen Brandschutz sowie die zeitliche Verfügbarkeit der Feuerwehr einzubeziehen. Es muss dann nicht immer und überall R90 oder R120 oder mehr sein. Effizienz bedeutet, die realen Gegebenheiten einzuplanen.
Literatur:
[1] Claus Lange: „Vorbeugender Brandschutz in der Gebäudeplanung – Vom Entwurf zum Brandschutzkonzept“, Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2022
[2] Ulf-Jürgen Werner: „Bautechnischer Brandschutz – Planung, Bemessung, Ausführung“, Birkhäuser, Basel 2004
[3] Wolfgang M. Willems: „Lehrbuch der Bauphysik“, Springer Vieweg, Wiesbaden 2017
[4] Franco Bontempi, Aguinagalde Alessandra, Petrini Francesco: „Progettazione antincendio strutturale“, Dario Flaccovio Editore, Palermo 2021
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