Brandschutzmaßnahmen für Stahlkonstruktionen

 1. Feuerwiderstandsgrenze und Feuerwiderstand von Stahlkonstruktionen 

Die Vorteile hoher Festigkeit und Duktilität bedingen, dass Stahlkonstruktionen ein geringes Eigengewicht, gute Erdbebensicherheit und hohe Tragfähigkeit aufweisen. Zudem lassen sie sich vor Ort bearbeiten, die Bauzeit ist kurz und die Materialien sind recycelbar. Daher finden Stahlkonstruktionen im In- und Ausland breite Anwendung.

Stahlkonstruktionen weisen jedoch eine Achillesferse auf: ihre geringe Feuerbeständigkeit. Um die Festigkeit und Steifigkeit von Stahlkonstruktionen im Brandfall langfristig zu erhalten und die Sicherheit von Menschenleben und Eigentum zu gewährleisten, werden in der Praxis verschiedene Brandschutzmaßnahmen eingesetzt. Diese Maßnahmen lassen sich nach unterschiedlichen Brandschutzprinzipien in Wärmeschutz- und Wasserkühlungsverfahren unterteilen. Wärmeschutzverfahren können in Sprüh- und Verkapselungsverfahren (Hohl- und Vollverkapselung) unterteilt werden. Bei den Wasserkühlungsverfahren gibt es das Gieß- und das Spülverfahren. In diesem Beitrag werden verschiedene Brandschutzmaßnahmen detailliert vorgestellt und ihre Vor- und Nachteile verglichen.
Die Feuerwiderstandsdauer einer Stahlkonstruktion bezieht sich auf die Zeit, in der das Bauteil während des Standard-Feuerwiderstandstests seine Stabilität oder Integrität und seine adiabatische Feuerbeständigkeit verliert.

Obwohl der Stahl selbst nicht brennt, werden seine Materialeigenschaften stark von der Temperatur beeinflusst. So sinkt die Kerbschlagzähigkeit bei 250 °C, und bei über 300 °C nehmen Streckgrenze und Zugfestigkeit deutlich ab. Im Brandfall bleibt die Belastung unverändert, und die kritische Temperatur, bei der die Stahlkonstruktion ihre statische Stabilität verliert, liegt bei etwa 500 °C, während die typische Brandtemperatur 800 bis 1000 °C erreicht. Infolgedessen verformt sich die Stahlkonstruktion unter hohen Brandtemperaturen schnell plastisch, was zu lokalem Versagen und schließlich zum Einsturz der gesamten Konstruktion führt. Daher müssen in Stahlkonstruktionen Brandschutzmaßnahmen getroffen werden, um eine ausreichende Feuerbeständigkeit zu gewährleisten. Es gilt zu verhindern, dass sich die Stahlkonstruktion im Brandfall schnell auf die kritische Temperatur erhitzt und sich dadurch übermäßig verformt, was zum Einsturz des Gebäudes führen kann. Dies verschafft wertvolle Zeit für die Brandbekämpfung und die sichere Evakuierung des Personals und trägt dazu bei, Brandschäden zu vermeiden oder zu reduzieren.

2. Brandschutzmaßnahmen für Stahlkonstruktionen

Die Brandschutzmaßnahmen für Stahlkonstruktionen lassen sich prinzipiell in zwei Kategorien einteilen: Wärmedämmung und Wasserkühlung. Beide Maßnahmen verfolgen dasselbe Ziel: die Temperatur des Bauteils innerhalb eines bestimmten Zeitraums unter Überschreiten der kritischen Temperatur zu halten. Der Unterschied besteht darin, dass die Wärmedämmung die Wärmeübertragung auf die Bauteile verhindert, während die Wasserkühlung die Wärmeübertragung auf die Bauteile ermöglicht und diese anschließend abführt.

2.1 Widerstandswärme

Je nach Widerstandswärmeverfahren und Hitzebeständigkeit des Beschichtungsmaterials wird die Brandschutzbeschichtung in Sprühverfahren und Beschichtungssprühverfahren unterteilt. Beim Sprühbeschichtungsverfahren wird die Brandschutzbeschichtung durch Auftragen oder Sprühen aufgebracht, wobei wiederum zwischen Hohlbeschichtungsverfahren und Vollbeschichtungsverfahren unterschieden werden kann. 

2.1.1 Sprühverfahren

Im Allgemeinen wird die Stahloberfläche mit feuerfester Farbe beschichtet oder besprüht, wodurch eine feuerfeste Isolierschicht entsteht. Dies verbessert die Feuerbeständigkeit von Stahlkonstruktionen. Dieses Verfahren ist sehr leicht und langlebig und schränkt die Geometrie der Stahlbauteile nicht ein. Es ist wirtschaftlich, praktisch und vielseitig einsetzbar. Die Vielfalt an feuerhemmenden Beschichtungen für Stahlkonstruktionen ist groß und lässt sich grob in zwei Kategorien einteilen: Dünnschicht-Feuerschutzbeschichtungen (Typ B), die die Ausdehnung von Stahlkonstruktionen hemmen, und Dickschicht-Feuerschutzbeschichtungen (Typ H) der Klasse B. Die Beschichtungsdicke beträgt in der Regel 2–7 mm und besteht aus organischem Harz. Sie hat einen gewissen dekorativen Effekt und dehnt sich bei hohen Temperaturen bis zu einer Dicke von 0,5–1,5 H aus. Dünne, leichte, feuerhemmende Beschichtungen für Stahlkonstruktionen bieten eine gute Vibrationsfestigkeit und eignen sich für Stahlkonstruktionen mit freiliegendem Stahldach im Innenbereich. Bei einer Feuerbeständigkeit von 1,5 H und darunter empfiehlt sich eine 8–10 mm dicke, beschichtete H-Typ-Feuerschutzbeschichtung. 50 mm dicke, granulierte Oberflächen sind häufig Bestandteil anorganischer Wärmedämmstoffe und zeichnen sich durch geringe Wärmeleitfähigkeit und niedrige Dichte aus. Die Feuerbeständigkeitsgrenze liegt zwischen 0,5 und 3,0 Stunden. Dick beschichtete Stahlkonstruktionen mit feuerhemmender Beschichtung sind im Allgemeinen nicht brennbar, alterungsbeständig, langlebig und zuverlässig. Sie eignen sich für verdeckte Stahlkonstruktionen in Innenräumen, insbesondere für Stahlkonstruktionen in mehrgeschossigen Fabrikgebäuden. Wenn die vorgeschriebene Feuerbeständigkeitsgrenze von 1,5 Stunden überschritten wird, sollte eine dick beschichtete Stahlkonstruktion mit feuerhemmender Beschichtung gewählt werden.

2.1.2 Beschichtungsverfahren

1) Hohlmantelverfahren: Hierbei werden üblicherweise Brandschutzplatten oder Ziegel entlang der Außenkanten der Stahlbauteile verwendet. In der heimischen petrochemischen Industrie wird zumeist die Methode der Ziegelummantelung von Stahlkonstruktionen eingesetzt. Diese Methode bietet Vorteile wie hohe Festigkeit und Schlagfestigkeit, jedoch einen größeren Platzbedarf und aufwändigere Bauarbeiten mit feuerfesten Leichtbauplatten wie z. B. Faserzement-Gipsplatten. Diese Methode eignet sich zur Brandschutzverkleidung großer Stahlbauteile und bietet kostengünstige, ebene und glatte Oberflächen, ist umweltfreundlich, alterungsbeständig und hat daher gute Zukunftsaussichten. 2) Vollmantelverfahren: Hierbei werden die Stahlbauteile durch Betonieren vollständig umschlossen. Beispiele hierfür sind die Stahlsäulen des Finanzzentrums Shanghai Pudong. Vorteile dieser Methode sind hohe Festigkeit und Schlagfestigkeit, jedoch ein großer Platzbedarf und aufwändige Bauarbeiten, insbesondere an Stahlträgern und Schrägverstrebungen.

2.2 Wasserkühlungsmethode

Zu den Wasserkühlungsmethoden gehören die Kühlung durch Übergießen mit Wasser und die Kühlung durch Befüllen mit Wasser.

2.2.1 Wasserduschen-Kühlmethode

Die Sprühkühlungsmethode besteht darin, ein automatisches oder manuelles Sprühsystem an der Oberseite der Stahlkonstruktion anzubringen. Im Brandfall wird das Sprühsystem aktiviert, um einen durchgehenden Wasserfilm auf der Oberfläche der Stahlkonstruktion zu erzeugen. Wenn sich die Flammen auf die Oberfläche der Stahlkonstruktion ausbreiten, entzieht die Verdunstung des Wassers der Konstruktion Wärme und verzögert so das Erreichen der kritischen Temperatur. Die Sprühkühlungsmethode wird beispielsweise im Gebäude der Fakultät für Bauingenieurwesen der Tongji-Universität eingesetzt.

2.2.2 Wassergefülltes Kühlverfahren

Die wassergefüllte Kühlmethode besteht darin, Hohlprofile aus Stahl mit Wasser zu füllen. Durch die Zirkulation des Wassers in der Stahlkonstruktion wird die vom Stahl selbst aufgenommene Wärme abgeführt. Dadurch kann die Stahlkonstruktion im Brandfall eine niedrige Temperatur beibehalten und verliert ihre Tragfähigkeit nicht durch zu starke Temperaturerhöhung. Um Rost und Frost zu verhindern, werden dem Wasser Rostschutzmittel und Frostschutzmittel zugesetzt. Die Stahlsäulen des 64-stöckigen Gebäudes der US Steel Company in Pittsburgh werden wassergekühlt.

3. Vergleich der Brandschutzmaßnahmen

Durch die Verwendung von wärmedämmendem Material kann die Wärmeleitung zu den Bauteilen verlangsamt werden. Wärmedämmung ist im Allgemeinen wirtschaftlich und praktisch und findet breite Anwendung in Bauprojekten. Wasserkühlung ist zwar eine wirksame Brandschutzmaßnahme, hat sich aber aufgrund der besonderen Anforderungen an die Tragwerksplanung und der hohen Kosten im Bauwesen noch nicht durchgesetzt.

Die Wärmedämmungsmethode wird häufig beim Brandschutz von Stahlkonstruktionen eingesetzt. Daher konzentriert sich die folgende Arbeit auf den Vergleich der Vor- und Nachteile der Sprühmethode und der Verkleidungsmethode hinsichtlich der Wärmedämmungsmaßnahmen.

3.1 Feuerbeständigkeit

Hinsichtlich des Feuerwiderstands ist die Verkleidungsmethode der Spritzmethode überlegen. Die Feuerbeständigkeit von Beton, Schamottsteinen und anderen Hüllmaterialien ist besser als die von herkömmlichen Brandschutzbeschichtungen. Darüber hinaus ist die Feuerbeständigkeit neuer Brandschutzplatten ebenfalls besser als die von Brandschutzbeschichtungen. Ihre Feuerwiderstandsgrenze ist deutlich höher als die von gleich dicken Stahlkonstruktionen mit Brandschutzdämmung und übertrifft die Ausdehnung von Brandschutzbeschichtungen.

3.2 die Haltbarkeit

Da Verkleidungsmaterialien wie Beton eine höhere Beständigkeit aufweisen und sich mit der Zeit nicht so leicht verschlechtern, stellt dies bei feuerhemmenden Beschichtungen von Stahlkonstruktionen ein häufiges Problem dar. Sowohl im Innen- als auch im Außenbereich können die organischen Bestandteile dünner und ultradünner Brandschutzbeschichtungen zu Zersetzung, Abbau, Alterung und anderen Problemen führen, sodass die Beschichtung abblättert oder ihre Feuerbeständigkeit nachlässt.

3.3 Konstruktion

Das Spritzverfahren zur Brandverhütung von Stahlkonstruktionen ist einfach und erfordert keine komplizierten Werkzeuge. Allerdings ist die Qualitätskontrolle bei der Ausführung von Brandschutzbeschichtungen mangelhaft, da die Entrostung des Grundmaterials, die Schichtdicke der Brandschutzbeschichtung und die Luftfeuchtigkeit auf der Baustelle schwer zu kontrollieren sind. Die Verkleidungsmethode ist komplexer, insbesondere bei geneigten Aussteifungen und Stahlträgern, bietet aber eine bessere Kontrollierbarkeit und gewährleistet eine hohe Qualität. Die Brandschutzklasse lässt sich durch die präzise Anpassung der Verkleidungsmaterialdicke steuern.

3.4 Umweltschutz

Das Sprühverfahren belastet die Umwelt während der Bauphase, insbesondere unter Einwirkung hoher Temperaturen, da schädliche Gase freigesetzt werden können. Im Gegensatz dazu entstehen bei der Bauphase, der normalen Nutzung und auch bei hohen Brandtemperaturen keine toxischen Stoffe, was dem Umweltschutz und der Sicherheit der Einsatzkräfte im Brandfall zugutekommt.

3,5 Wirtschaft

Das Sprühverfahren ist einfach, die Bauzeit kurz und die Baukosten niedrig. Allerdings ist die feuerfeste Beschichtung teuer, und da die Beschichtung Nachteile wie Alterung aufweist, sind die Wartungskosten höher. Das Einkapselungsverfahren ist zwar in der Bauzeit hoch, die Materialkosten sind jedoch niedrig und die Wartungskosten gering. Insgesamt ist das Einkapselungsverfahren wirtschaftlich.

3.6 Anwendbarkeit

Das Spritzverfahren ist nicht durch die Geometrie der Bauteile eingeschränkt und wird häufig zum Brandschutz von Trägern, Stützen, Decken, Dächern und anderen Bauteilen eingesetzt. Es eignet sich besonders für den Brandschutz von Leichtstahlkonstruktionen, Gitterkonstruktionen und Stahlkonstruktionen mit Sonderformen. Das Verkleidungsverfahren ist bautechnisch aufwendig, insbesondere bei Stahlträgern und geneigten Aussteifungselementen. Es wird daher häufiger bei Stützen angewendet und findet beim Spritzverfahren weniger Verbreitung.

3.7 Belegter Raum

Beim Sprühverfahren wird eine geringe Menge an feuerhemmender Beschichtung benötigt, während beim Umhüllungsverfahren Hüllmaterialien wie Beton oder feuerfeste Ziegel verwendet werden, die Platz beanspruchen und die Raumnutzung einschränken. Die Qualität der Hüllmaterialien ist jedoch höher.

 4. Zusammenfassen

Aus der Diskussion lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1) Bei der Wahl von Brandschutzmaßnahmen für Stahlkonstruktionen sollten zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, wie etwa die Art der Bauteile, die Schwierigkeit der Konstruktion, die Anforderungen an die Bauqualität, die Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und die wirtschaftlichen Vorteile.

2) Im Vergleich zum Verkapselungsverfahren bietet das Sprühverfahren die Hauptvorteile eines einfachen Aufbaus und einer weitgehend unveränderten Optik der Bauteile nach dem Sprühen. Die Hauptvorteile des Verkapselungsverfahrens sind hingegen die geringen Kosten, die gute Feuerbeständigkeit und die Langlebigkeit.

3) Alle Arten von Brandschutzmaßnahmen haben ihre Vor- und Nachteile. In der praktischen Anwendung können sie voneinander lernen und ihre jeweiligen Schwächen ausgleichen. Zudem können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um mehrere Brandschutzlinien zu errichten.

Mit einem modernen Lager und einer Produktionsstätte in Nordchina bieten wir Ihnen ein umfassendes Sortiment an Stahlprodukten: warm- und kaltgewalzt, darunter eine große Auswahl an Stangenstahl, Profilstahl und Rohren. Dank Plasma-, Laser- und Autogenschneidanlagen, CNC-Bohr- und Plasmamarkierungsanlagen sowie einer komplett ausgestatteten Bohranlage können wir Ihnen alle benötigten Stahlprodukte – zugeschnitten, gebohrt, gestanzt und einsatzbereit – liefern.

Unser Produktsortiment:

1. Stahlrohr(Rund / Quadratisch / Sonderform / SSAW)
2. Elektroinstallationsrohr(EMT/IMC/RMC/BS4568-1970/BS31-1940)
3. Kaltgeformtes Stahlprofil(C /Z /U/ M )
4. Stahlwinkel und -träger(V-Winkel/ H-Träger/ U-Träger)
5. Stahlgerüststütze
6. Stahlkonstruktion(Rahmenwerke)
7. Präzisionsbearbeitung von Stahl(Schneiden, Richten, Glätten, Pressen, Warmwalzen, Kaltwalzen, Stanzen, Bohren, Schweißen usw. gemäß Kundenwunsch)

Von Baustahl, Bearbeitungsstahl und Stahlrohren bis hin zu Handelsrohren und Stangenmaterial bieten wir Ihnen alle Stahlprodukte und -dienstleistungen für den privaten, gewerblichen und industriellen Bedarf.

Tianjin Rainbow Steel Group Co., Ltd.

Tina

Mobil: 0086-13163118004

E-Mail:tina@rainbowsteel.cn

WeChat: 547126390

Web:www.rainbowsteel.cn

Web:www.tjrainbowsteel.com