Brandbemessung von Beton in der 2. Generation des Eurocode 2

Zunächst erläutern wir die neue Ausgabe, damit Sie sicher damit arbeiten können. Anschließend setzen wir die zweite Option an einem realen Fertigteilträger in die Praxis um und zeigen, wie einfach sich der Prozess automatisieren lässt. (Abschnittsnummern beziehen sich auf EN 1992-1-2:2023, sofern nicht mit 2004 gekennzeichnet.)

Was sich in den Normen geändert hat – Feuerwiderstand

1. Die Tabellen bleiben – aber die Regeln darum herum werden strenger.

Tabellenwerte bleiben der schnelle und konservative Weg, während Berechnungsverfahren für Bauteile vorgesehen sind, die von den Tabellen nicht abgedeckt werden. Die Ausgabe 2023 behält diesen Ansatz bei, stellt aber die Grenzen klarer: Tabellenwerte gelten im Vergleich zu Versuchen sowie zu vereinfachten oder allgemeinen Verfahren grundsätzlich als auf der sicheren Seite liegend, und eine Extrapolation über den angegebenen Bereich hinaus ist nicht zulässig (Abschn. 6.1(2)).

Ziel ist außerdem, dass die drei Ansätze konsistenter zusammenwirken. Das Vorwort bestätigt, dass die Tabellenregelungen aktualisiert wurden, um das tabellarische, das vereinfachte und das allgemeine Verfahren aufeinander abzustimmen.

Worauf sind die Tabellen kalibriert?

Die Mindestabmessungen in den Tabellen beruhen auf festen Annahmen. Die wichtigsten Referenzwerte bleiben weitgehend unverändert:

• ηfi = 0,7 — das Referenzlastniveau (2004, Abschn. 5.2(3); 2023, Abschn. 6.2(1)).
• 500 °C — die kritische Temperatur der Bewehrung bei frei aufliegenden, auf Biegung beanspruchten Bauteilen, entsprechend etwa 0,60 fyk bei ηfi = 0,7 und γS = 1,15 (2004, 5.2(4); 2023, Abschn. 6.2(3), Anmerkung 1).

Es gibt jedoch zwei bemerkenswerte Änderungen:

1. Wärmeleitfähigkeit: Die Ausgabe 2004 erlaubte die Verwendung der Daten über den gesamten zulässigen Bereich der Wärmeleitfähigkeit. Die Ausgabe 2023 enthält eine einzige Funktion für die Wärmeleitfähigkeit.
2. ηfi: In der Ausgabe 2004 konnte ein Nationaler Anhang diesen Wert ändern (2004, 5.2(3), Anmerkung). In der Ausgabe 2023 ist ηfi = 0,7 festgelegt (Abschn. 6.2(1)).

Derselbe Abschnitt verlangt außerdem, die Tabellenwerte zu korrigieren, wenn die Grundannahmen nicht zutreffen, und schließt ihre Verwendung aus, wenn Materialfaktoren nach Anhang A von EN 1992-1-1 geändert wurden.

2. Der Feuchtegehalt ist nicht mehr nur ein Prozentwert – er ist jetzt Teil des Entscheidungsprozesses.

Das Grundprinzip bleibt in beiden Ausgaben gleich: Starke Abplatzungen müssen vermieden werden, oder ihre Auswirkung auf die Tragfähigkeit muss berücksichtigt werden.

Die Behandlung der Feuchte hat sich jedoch geändert:

• 2004: Explosionsartige Abplatzungen waren an einen Feuchtegrenzwert in Masseprozent gekoppelt, wobei der empfohlene Wert im Nationalen Anhang festgelegt wurde.
• 2023: Der feste Prozentwert entfällt. Der Feuchtegehalt wird nun zusammen mit weiteren Faktoren betrachtet, die Abplatzungen beeinflussen können, darunter Beanspruchung, Last, Zwang, Geometrie, Gesteinskörnung, Zusätze, Luftgehalt, Fasern, Permeabilität und Festigkeit.

Die Ausgabe 2023 führt außerdem eine eigene Entscheidungstabelle (Tabelle 10.1) ein. Sie verknüpft die Bewertung mit vier wesentlichen Eingangsgrößen: Feuerwiderstandsdauer, Feuchtezustand, Betonfestigkeit und Silikastaubgehalt.

Mit anderen Worten: Die Feuchte ist nicht mehr ein einzelner Zahlenwert, der nachzuweisen ist – sie ist ein Baustein einer umfassenderen Bewertung von Abplatzungen.

3. Die 500-°C-Isotherme entfällt – und Temperaturdiagramme weichen Formeln.

Die Ausgabe 2004 bot im informativen Anhang B zwei Verfahren mit reduziertem Querschnitt an: das 500-°C-Isothermenverfahren und die Zonenmethode (2004, 4.2.3, B.1.1(3) bis (4), B.2(3)). Der Text von 2023 enthält kein 500-°C-Isothermenverfahren, und sein Abschnitt 7.3.2 verwendet ausschließlich die Logik der Zonenmethode.

Warum sich Ergebnisse über Teil 1-1 ändern – EN 1992-1-2 ist als Ergänzung zur Bemessung bei Normaltemperatur verfasst. Sie benennt Abweichungen von und Ergänzungen zu EN 1992-1-1 und verweist auf die Ausgabe 2023 dieser Norm als datierte normative Verweisung (Abschn. 1.1(1)).

Dieser Zusammenhang wird beim vereinfachten Biegenachweis besonders deutlich:

• MRd,fi ist gültig, sofern nicht As,prov/As,req > 1,3 gilt (Abschn. 7.3.3.2, Gleichung 7.18).
• Sowohl MEd als auch As,req stammen aus EN 1992-1-1.
• Das Verfahren von 2023 mittelt die temperaturabhängig reduzierte Festigkeit über die einzelnen Zugstäbe der Bewehrung.

Was hat sich sonst noch geändert?

EN 1992-1-1 selbst hat sich geändert. Die zweite Generation bringt überarbeitete Regeln für Querkraft und Torsion, einen erweiterten Anwendungsbereich, der Brücken, Flüssigkeitsbehälter und Umschließungsstrukturen, CFK-Verstärkung und stahlfaserbewehrten Beton umfasst, sowie neue Anhänge zur Bewertung und Verstärkung bestehender Strukturen.

Querkraft und Torsion wandern aus einem informativen Anhang in den Haupttext. In der Ausgabe 2004 stand das Berechnungsverfahren für Querkraft, Torsion und Verankerung im informativen Anhang D, der den Hinweis enthielt, dass Querkraftversagen infolge von Brand sehr selten ist und dass die angegebenen Verfahren nicht vollständig verifiziert wurden (2004, Anhang D). Die Ausgabe 2023 ordnet Querkraft und Torsion in Abschnitt 7.3.5 innerhalb der vereinfachten Bemessungsverfahren ein und verlagert die Verankerung in die Konstruktionsregeln, wonach Verankerungs- und Übergreifungslängen im Brandfall den Werten bei Normaltemperatur gleichgesetzt werden dürfen (Abschn. 9.2(1)).

Der tabellarische Weg bleibt in dieser Hinsicht unverändert. Werden die Mindestabmessungen aus Abschnitt 6 eingehalten, dürfen weitere Nachweise für Querkraft, Torsion und Verankerung entfallen (Abschn. 6.1(7); 2004, 5.1(3)). Die Änderung betrifft rechnerisch nachgewiesene Bauteile. Abschnitt 7.3.5 unterscheidet zwei Fälle:

• Bauteile mit Querkraftbewehrung (Abschn. 7.3.5.3). Es gilt der reduzierte Querschnitt nach Abschn. 7.3.2, und die Betonfestigkeit wird am Punkt M angesetzt. Die Festigkeit der Bügel wird mit der Temperatur am Punkt P reduziert, dem Schnittpunkt des Bügels mit dem Querschnitt auf halber Stegtiefe. (Siehe Abbildung unten.) Die Querkraftverfahren nach EN 1992-1-1 werden dann auf den reduzierten Querschnitt angewendet. Bei Flachdecken werden vertikale Bügel oder Kopfbolzen nur dort angesetzt, wo sie die maßgebende Versagensfläche in der reduzierten Geometrie schneiden; für die Torsion gilt dieselbe Logik (Abschn. 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• Bauteile, deren Querkrafttragfähigkeit von der Betonzugfestigkeit abhängt (Abschn. 7.3.5.2). Bei vorgespannten Bauteilen sowie bei unbewehrten oder gering bewehrten Bauteilen sind die durch nichtlineare Temperaturverteilungen verursachten Zugspannungen besonders zu berücksichtigen, zum Beispiel bei Hohlplatten und dicken Trägern. Die Zugfestigkeit wird sonst vernachlässigt, und wo sie angesetzt wird, folgt die Reduktion den Gleichungen (5.21) und (5.22) (Abschn. 5.3.1.2).

Neue Ausgabe, neue Gliederung: wo Sie finden, was Sie brauchen

Und dann gibt es noch das Neue

• Weniger national festzulegende Parameter – Das Vorwort von 2004 nennt sechzehn Abschnitte, die der nationalen Festlegung offenstehen. Das Vorwort von 2023 nennt drei Abschnitte. Nicht mehr national festzulegen sind: der Bereich der Wärmeleitfähigkeit, der Feuchtegrenzwert, die Grenze der Ausmitte bei Methode A, das Referenzlastniveau ηfi sowie die Entscheidung, ob allgemeine Verfahren angewendet werden dürfen. (2023 0.5; 2004 Vorwort, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Methode A, Ausmitte – Die Ausmitte nach Theorie erster Ordnung im Brandfall ist auf ein Viertel der Querschnittsabmessung begrenzt und in der Norm festgelegt. Der empfohlene Wert von 2004 betrug 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Abkühlphase – Formeln geben die Festigkeit von Beton an, der auf eine Spitzentemperatur erhitzt und wieder auf 20 °C abgekühlt wurde. Der Text von 2004 besagte lediglich, dass ein möglicher Festigkeitszuwachs beim Abkühlen nicht angesetzt werden darf. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

Der Ansatz von IDEA StatiCa: Querschnittsnachweis heute und in Zukunft

Was RCS abdeckt

Die IDEA StatiCa RCS-Anwendung beantwortet schnell eine Frage: Erfüllt ein Querschnitt die Tabellenwerte? Diese Grenze sollte man genau benennen, denn an ihr trennt die zweite Generation das tabellarische Verfahren von den Berechnungsverfahren. Der Feuerwiderstand ist in RCS für Platten, Wände, Träger, Stützen und schlanke Stützen verfügbar. Die Funktion wird im Projektassistenten als Feuerwiderstand EN 1992-1-2:2006-11 ausgewählt.

• Stützen – Methode A und Methode B
• Träger – Nur Rechteck-, T- und I-Querschnitte. Einfeldträger und Durchlaufträger müssen unterschieden werden, und bei einem Durchlaufträger muss die Lage des Querschnitts entlang des Trägers festgelegt werden, was den Nachweis erheblich beeinflusst. Die nachgewiesenen Werte sind die Stegbreite und der Abstand von der äußeren Bewehrungslage zur nächstgelegenen beflammten Oberfläche.
• Platten – Einachsig und zweiachsig gespannte Platten, eine durchlaufende Platte auf Wänden und eine durchlaufende Platte auf Stützen.
• Wände – Tragende Wände und nichttragende Wände

Warum auf Tabellen vertrauen, wenn sich die tatsächliche Temperatur berechnen lässt?

Tabellen sind ein schneller Weg, den Feuerwiderstand nachzuweisen, aber sie decken nur bestimmte Querschnittsformen, Abmessungen, Achsabstände und Brandbedingungen ab. 

Das funktioniert bei Neuplanungen, bei denen sich der Querschnitt anpassen lässt, wenn der Nachweis nicht erfüllt ist. Bei bestehenden Bauteilen ist die Geometrie jedoch bereits festgelegt – und für einen Querschnitt, der die Tabelle um nur wenige Millimeter verfehlt, gibt es keine tabellenbasierte Lösung.

Hier macht die Berechnung des tatsächlichen Temperaturfelds den Unterschied. Statt sich auf vordefinierte Werte zu stützen, können Sie berechnen, wie sich die Wärme im realen Querschnitt ausbreitet, und mit diesen Temperaturen die Tragfähigkeit nachweisen. Die Section-Anwendung leistet genau das – sie analysiert den tatsächlichen Querschnitt und die Bewehrungsanordnung und weist anschließend den Feuerwiderstand anhand der berechneten Temperaturen nach.

Was die neue Section-Anwendung bietet

Sehen Sie ein Beispiel für einen Dachbinder in Section. Ein Tabellennachweis liefert für einen Achsabstand ein Ja oder Nein. Mit der Section-Anwendung liefert derselbe Querschnitt eine Ausnutzung. Um zu zeigen, wie das allgemeine Verfahren an einem realen Bauteil aussieht, haben wir einen Dachbinder in der Section-Anwendung (BETA) untersucht. Der Brandfall wird im selben Projekt aktiviert wie die Nachweise bei Normaltemperatur, es gibt also kein zweites Modell. Die Lasteffekte im Brandfall werden als eigene Gruppe eingegeben, getrennt von den Lasteffekten im GZT und GZG, da sich die Schnittgrößen im Brandfall von denen bei Normaltemperatur unterscheiden.

Der modellierte Querschnitt ist ein 1140 mm hoher I-Fertigteilträger mit mehreren Stabdurchmessern und einer auf die Anforderungen des Herstellers optimierten Anordnung. Die Feuerwiderstandsklasse ist R60; als Brandkurve dient die Einheits-Temperaturzeitkurve nach EN 1991-1-2; die brandbeanspruchten Seiten sind Unterseite, links und rechts. Der Anwender wählt die brandbeanspruchten Seiten aus vier Optionen (oben, unten, links, rechts – siehe die Abbildungen unten), und die Anwendung leitet daraus die tatsächlich beflammten Ränder ab, rot dargestellt, auch an einspringenden Ecken wie den Übergängen zwischen Steg und Flansch. Der Querschnitt ist der mittlere Querschnitt, und seine Belastung im Beispiel erfolgt ausschließlich durch ein Biegemoment.

Temperaturverteilung – Die Anwendung vernetzt den Querschnitt mit einem feineren Netz und berechnet das Temperaturfeld in Zeitschritten bis zu 60 Minuten (hier 60 Minuten, insgesamt bis zu 240 Minuten). In der Temperaturkarte sind die Unterseite und die unteren Ecken am heißesten, und die Temperatur fällt zur Stegmitte hin steil ab. Die Datenansicht listet die Temperatur der Betonelemente und jedes einzelnen Bewehrungsstabs auf. So erreicht beispielsweise der unterste Eckstab 480 °C, während die Stäbe in der Mitte des oberen Flanschs nahezu Raumtemperatur haben. Eine Tabelle kann diese Streuung nicht abbilden; sie arbeitet mit einem einzigen nominellen Achsabstand.

Aus diesen Temperaturen leitet die Anwendung die reduzierten Materialeigenschaften ab, und zwar mithilfe von Abminderungsfaktoren für die Betonfestigkeit, die Streckgrenze und die Proportionalitätsgrenze der Bewehrung sowie den Elastizitätsmodul. Dabei werden die Abminderungsfaktoren nach EN 1992-1-2 verwendet. Die Faktorenkarte zeigt, was den Nachweis tatsächlich maßgebend bestimmt. In diesem Träger behält der unterste Stab 60 % seiner Streckgrenze, und der Beton in den Ecken des unteren Flanschs behält etwa 6 % seiner Festigkeit. Nicht zuletzt verwendet die Section-Anwendung Formeln, damit sich das Ergebnis leicht nachvollziehen lässt. So entspricht der Biegenachweis dem Tragverhalten bei Normaltemperatur, nun jedoch mit den reduzierten Festigkeiten ausgewertet.

Fazit

Ob ein Ingenieur die zweite Generation von EN 1992-1-2 direkt liest oder die Software die Arbeit erledigen lässt – der Ausgangspunkt ist derselbe. Tabellenwerte bleiben der schnelle Nachweis auf der sicheren Seite für neue, regelmäßige Bauteile. Wer mit der Norm arbeitet, erkennt anhand der oben beschriebenen Änderungen, wo sich die Regeln von 2023 von der Ausgabe 2004 unterscheiden. Wenn die Tabelle nicht erfüllt ist oder nicht anwendbar ist, verweist die Norm auf allgemeine Berechnungsverfahren, und die Section-Anwendung beschreitet diesen Weg: Sie ermittelt die Temperatur jedes Bewehrungsstabs und jedes Betonelements, wendet die reduzierten Materialeigenschaften an und liefert statt erfüllt/nicht erfüllt eine Ausnutzung. Da sie das tatsächliche Verhalten des Querschnitts abbildet, ist sie eine bequeme, schnelle und präzise Alternative zum tabellarischen Verfahren.