Optimierung einer Fachwerkbinderkonstruktion in Stahl- bzw. kombinierter Stahl-Holzbauweise unter Berücksichtigung brandschutztechnischer Anforderungen am Beispiel einer Sporthalle

Abstract

Die Dachtragwerke von wettkampftauglichen Sporthallen müssen in der Regel neben dem Sportfeldbereich auch den Tribünenbereich stützenfrei überspannen. Aufgrund der großen Spannweite von mehr als 28 Metern kann dieser Forderung bspw. durch Dachbinder in Stahl-, Holz- oder Spannbetonbauweise entsprochen werden, welche nach der Niedersächsischen Versammlungsstättenverordnung zudem feuerhemmend ausgebildet sein müssen. Im Rahmen dieser Arbeit sollen Dachbinder in Stahlbzw. hybrider Stahl-Holzbauweise hinsichtlich statischer, bau- und brandschutztechnischer sowie wirtschaftlicher Gesichtspunkte optimiert werden. Während die Kaltbemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit bei einem Stahlfachwerkbinder erfolgreich durchgeführt werden kann, ist eine Realisierung der Feuerwiderstandsdauer von 30 Minuten unter Ansatz der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) nur durch die Verwendung von unwirtschaftlich überdimensionierten Profilabmessungen auf Bauteilebene möglich. Werden zudem die Zwangskräfte aus thermischer Dehnung angesetzt, ist der Nachweis für das Gesamttragwerk nicht möglich. Gerade bei Sporthallen, die bei ordnungsgemäßer Nutzung nur eine geringe Brandlastdichte aufweisen, kann über die Verwendung von Naturbrandmodellen gezeigt werden, dass die zu erwartenden Raumgas- und damit auch Stahltemperaturen deutlich unter jenen bei Ansatz der ETK liegen. Eine Heißbemessung des Stahlfachwerks gelingt dabei sowohl mit dem vereinfachten Naturbrandmodell Lokaler Brand als auch bei einem allgemeinen Naturbrandmodell mit thermodynamischer Berechnung in FDS. In einer Variantenstudie ist neben der erfolgreichen Bemessung eines mit DSBBS geschützten Stahlfachwerks ein im Firstbereich gekrümmter Holzbinder mit Stahlunterspannung nachgewiesen worden. Auch die Brandschutznachweise der Holzbauteile sind aufgrund des günstigen thermischen Verhaltens von Holz im Brandfall - durch die Pyrolyse des Holzes bildet sich eine schützende Kohleschicht aus - über eine entsprechende Dimensionierung möglich. Um diesen Schutzeffekt des Holzes an Stahlteilen nutzen zu können, sind experimentelle Brandversuche und numerische Simulationen an mit Holzmanschetten geschützten Stahlquerschnitten durchgeführt worden. Bereits wenige Zentimeter Holzschichtdicke reichen aus, um die Stahltemperatur deutlich unterhalb des kritischen Bereichs zu halten. Insgesamt scheint der Einsatz von Holzmanschetten alternativ zum einzigen auf kreisförmigen Zuggliedern zugelassenen DSBBS neben gestalterischen Aspekten gerade in Bezug auf Dauerhaftigkeit betrachtenswert zu sein.

In compliance with the rules, the roof structures of sports halls that are suitable for competition also have to span the stands, in addition to the sports field, without support. Due to the large span of more than 28 meters, roof trusses in steel, wood or prestressed concrete constructions can fulfill this requirement, which must also be fire-resistant according to the Lower Saxony Assemblies Ordinance. It is the purpose of this work, to optimize roof trusses in steel or hybrid steel-wood construction in terms of static, construction and fire protection as well as economic aspects. While the dimensioning can be carried out successfully in the limit of the load carrying capacity of a steel truss, an implementation of the fire resistance duration of 30 minutes under the assumption of the uniform temperature time curve (UTTC) is only possible by using uneconomically oversized profile dimensions on the component plane. If the restraining forces as a result of thermal expansion are applied, a proof for the entire support structure is not possible. Especially in sports halls that have a low fire load density when properly used, natural fire models can be used to show that the expected gas and steel temperatures are significantly below those under approach of the UTTC. In case of fire, a dimensioning of the steel truss is achieved with the simplified natural fire model local fire as well as with a general natural fire model with thermodynamic calculation in FDS. The successful dimensioning of a steel truss protected by an insulating layer-forming fire protection system was proved in a variety-study. In addition, a hybrid steel-wood construction is dimensioned, consisting on the upper side of a laminated timber beam curved in the ridge area and on the lower side of a steel rod. Due to the good thermal behavior of wood in the event of a fire – the pyrolysis of wood forms a protective carbon coating – the fire safety proofs of the wooden components are also possible through appropriate dimensioning. In order to be able to utilize this protective effect of wood on steel parts, experimental fire tests and numerical simulations have been carried out on steel cross-sections protected with wooden sleeves. Already a few centimeters of wood layer thickness are sufficient to keep the steel temperature well below the critical range. Overall, the use of wooden sleeves as an alternative to the only insulating layer forming fire protection system approved on circular tension members seems to be, in addition to design aspects, a considerable possibility with regard to durability.