Dipl.-Ing. Andreas Terboven, Dipl.-Ing. Michael Haug
Einsturzgefahr durch Brände
Sind Baustoffe bzw. Bauteile durch einen Brand hohen Temperaturen ausgesetzt, verändern sich zwangsläufig deren Festigkeitseigenschaften. Dies kann zu einer statischen Überlastung der tragenden Bauteile und zum Einsturz der Konstruktion von Gebäudeteilen oder kompletten Gebäuden führen.
Die Brandeinwirkung kann aber auch zu einem labilen Zustand der Gebäudestruktur führen, falls kein Einsturz stattfindet. Das ist besonders gefährlich, da geringste mechanische Beanspruchungen (Löschwasserstrahl, Erschütterung, Wind) zum Einsturz führen können.
3.1 Verhalten von Bauteilen und Baustoffen
3.1.1 Holz
Starke thermische Einwirkung führt dazu, dass Holz zerstört wird. Findet eine thermische Einwirkung ohne Luftzufuhr statt, entgast Holz und es bildet sich Holzkohle. Bei einer Erhitzung von Holz über seine Zündtemperatur und Anwesenheit von ausreichend Sauerstoff verbrennt das Holz unter Abgabe von Kohlendioxid und Wasserdampf. Die Zündtemperatur ist abhängig von der Art des Holzes. Sie kann zwischen 240–300 °C liegen. Sie wird außerdem durch die Feuchtigkeit des Holzes beeinflusst. Durch eine Vorerwärmung des Holzes, die sog. thermische Aufbereitung, kann die Zündtemperatur bis auf etwa 110 °C absinken.
Einsturzgefahr von Holzkonstruktionen beurteilen
Die Einsturzgefahr von Holz im Brandfall kann relativ einfach beurteilt werden. Holz "spricht" bevor es versagt. Dies wird durch ein "Knacken und Krachen im Gebälk" bei einer vom Brand betroffenen Holzkonstruktion gut hörbar.
Weiterhin kann der Grad des Abbrands der vom Brand betroffenen Holzteile (z. B. Balken, Stützen) auch als ein Grad für den Festigkeitsverlust der Holzkonstruktion gesehen werden. Die Abbrandrate von Holz beträgt etwa 1 mm/min.
Werden Holzbauteile auf doppelte Sicherheit ausgelegt, können sie im Brandfall bis auf die Hälfte des Profils abbrennen, bevor das Bauteil versagt und es zum Einsturz kommen kann. Freistehend und statisch nicht belastete Holzbauteile behalten ihre Festigkeit fast bis zum vollständigen Abbrand.
Holz übt im Brandfall keine nennenswerten Schubkräfte auf seine Auflagelager im Mauerwerk aus. Das kommt daher, dass Holz eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten bei Erwärmung besitzt.
3.1.2 Stahl
Stahl besitzt eine hohe Tragfähigkeit, besondere Elastizität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Diese führt im Brandfall zu einer elastischen Längendehnung von etwa 1,2 mm je Meter und 100 Kelvin Temperaturerhöhung.
Je höher die Temperatur bei einem komplett durchwärmten Stahlbauteil ist, desto leichter kann das Bauteil infolge einer statischen Beanspruchung (dabei ist das Eigengewicht nicht zu vergessen) einer mechanischen Verformung folgen. Ein Stahlbauteil, das auf ca. 480–500 °C erwärmt wird, verliert schlagartig die Hälfte seiner Festigkeit.
Einsturzgefahr durch Ausdehnung
Die starke Ausdehnung von Stahl bei Erwärmung führt zu Verschiebungen in den Auflagern sowie in den Knotenpunkten. Dabei wirken erhebliche Kräfte, die zum Einsturz der gesamten Gebäudekonstruktion und der Mauerwerke führen können, auf denen die Stahlbauteile aufliegen.
Sollte es nicht zu einem Einsturz kommen, ist die Gefahr dennoch nicht gebannt. Durch die Abkühlung nach einer erfolgreichen Brandbekämpfung geht die Längenausdehnung des Stahlbauteils wieder zurück, d. h., das Stahlbauteil schrumpft. War es vorher zu einer Verschiebung der Auflager nach außen gekommen, kann es nun passieren, dass das Stahlbauteil beim Schrumpfen vom Auflager herunter fällt (Abb. 4).
Abb. 4: Längenausdehnung von Stahlbauteilen durch Brandeinwirkung. Ist der Brand gelöscht, kommt es durch die Schrumpfung des Stahlbauteils zu einem Einsturz, weil das Stahlbauteil vom Auflager fällt (Pfeil).
3.1.3 Stahlbeton
Von Stahlbeton (bewehrtem Beton) wird gesprochen, wenn Bauteile aus den Baustoffen Beton und Stahl hergestellt werden. Der Beton muss dabei insbesondere die Druckkräfte und der Stahl die Zugkräfte aufnehmen. Beton besitzt eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber Wärmeeinwirkung. Er verliert seinen Zusammenhalt erst bei einer Durchwärmung auf Temperaturen, die im Brandfall praktisch nicht erreicht werden.
Werden Stahlbetonbauteile von einem Brand beaufschlagt, kann die Betondeckung unterhalb der Bewehrung abplatzen. U. U. liegen dann die Stahleinlagen frei und können dadurch direkt erwärmt werden. Das führt zum Verlust der Tragfähigkeit der Stahleinlagen und damit der Gesamtkonstruktion.
Außerdem können Tragfähigkeitsverluste durch Querschnittseinbußen des Betonbauteils infolge der Brandeinwirkung entstehen. Einstürze von Stahlbetonbauteilen durch Brandeinwirkung sind i. d. R. erst nach einer Brenndauer von 30–45 Min. zu erwarten.
Vorsicht bei Rissen oder Abplatzungen
Vorsicht ist geboten, wenn Risse oder Abplatzungen auftreten. Explosionsartig auftretende Abplatzungen an Stahlbetonteilen können Einsatzkräfte bei der Brandbekämpfung gefährden.
Ein weiteres Problem stellt die Einwirkung von Brandrauch dar. Bei Bränden verbrennen oft Kunststoffe, wobei Chlor und Chlorverbindungen fre...