Kritische Temperatur von Stahl im Brandfall

Brandverhalten Stahl

Wie verhält sich Stahl bei hohen Temperaturen, also z.B. im Brandfall? Stahl ist nicht-brennbar und schmilzt erst bei Temperaturen von ca. 1400°C (bei einem Kohlenstoffgehalt von ca. 2%). Diese hohen Temperaturen müssen selbst bei der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) nicht angesetzt werden, welche die maßgebende Brandkurve für die Ermittlung der Feuerwiderstandsdauer im Bauwesen ist. Somit "schmilzt" Stahl im Brandfall in der Regel nicht. Ausnahmen bestätigen wie immer die Regel, da es neben der ETK noch ungünstigere Brandraumkurven mit höheren Temperaturen gibt. Dies sind z.B. die Tunnelbrandkurve sowie die Hydrokarbonkurve für Brände (u.a. für Brände auf Ölplattformen).

Warum sind dann trotzdem kaum ungeschützte Stahlkonstruktionen zu sehen? Dies liegt an der sehr hohen thermischen Wärmeleitfähigkeit, die für Stahl ca. λ=50 W/(m*K) beträgt. Das ist ca. 25-mal höher als beim Beton. Dies hat zur Folge, dass stählerne Konstruktionen (wie z.B. Stahlstützen oder Stahlträger) im Brandfall sehr schnell durchwärmen.

Brand.

Ab welcher Temperatur verliert Stahl seine Festigkeit?

Als kritische Temperatur von Stahl wird oftmals 400°C angegeben. Wie im Diagramm oben zu sehen ist, bezieht sich diese Temperatur auf die Reduktion der Streckgrenze, d.h. den Festigkeitsverlust von Stahl bei hohen Temperaturen. Somit darf diese Temperatur bei nicht-stabilitätsgefährdeten Konstruktionen (wie z.B. Zuggliedern in Fachwerken) als kritisch angesehen werden.

Da z.B. Stahlstützen in Stahlhallen in der Regel schlank ausgeführt werden, liegt oftmals eher ein Stabilitätsproblem (Knicken bzw. Biegedrillknicken) als ein Querschnittsversagen vor. Insofern kommt der temperaturabhängige Reduktion des Elastizitätsmoduls eine große Bedeutung zu. Wie im Diagram zu sehen ist, nimmt die Elastizität des Baustahls bereits bei Temperaturen von mehr als 100°C ab. Dies führt dazu, dass die genannten Stahlhallen im Brandfall einstürzen, es liegt also ein Stabilitätsversagen vor.

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.

Wie wir Ihnen helfen können

Wir bieten 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.

Unsere Erstberatung für Ihr Vorhaben

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