Brandverhalten von Montageschienen

Montageschienen im Brandfall

Montageschienen spielen heute eine wichtige Rolle im Bereich der Rohrbefestigungssysteme. Die Beurteilung ihres Verhaltens im Brandfall ist von hoher Bedeutung. Die Musterbauordnung (MBO) schreibt vor, dass dafür Sorge zu tragen ist, dass die sichere Nut­zung von Fluchtwegen in Gebäuden innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens möglich ist. Die Verlegung von Leitungsanlagen in solch notwendigen Fluren ist nur insoweit zulässig, soweit dies ge­währleistet ist. In der Baupraxis wird dies oft durch den Einbau einer brandschutztechnisch wirksamen Unterdecke realisiert. Die Muster-Leitungsanlagen-Richtlinie (MLAR) fordert ergänzend, dass hierbei auch die besonderen Anforderungen hinsichtlich der brandsicheren Befestigung der im Bereich zwischen den Geschossdecken und den Unterdecken verlegten Leitungen zu beachten sind.

Dies bedeutet, dass zwei Szenarien von besonderer Bedeutung sind: Es dürfen keine Teile der Rohrleitungen oder ihrer Befestigung herabstürzen und die auftretenden Verformungen müssen so gering bleiben, dass darunterliegende Deckenkonstruktionen nicht in ihrer brandschutztechnischen Schutzwirkung beeinträchtigt werden.

Das Herabfallen der Rohrbefestigungen im Brandfall entspricht ei­nem Totalversagen der Bauteile. Dies geschieht, wenn die Tragfä­higkeit der Bauteile überschritten wird. Beim Abreißen eines Bauteils übersteigt dann die innere Spannung die Zugfestigkeit des Werk­stoffs. Die Zugfestigkeit von Stahl nimmt mit steigender Temperatur signifikant ab. Aus diesem Grunde sinkt die Resttragfähigkeit von Rohrschellen oder Montageschienen mit steigender Feuerwider­standsdauer (30, 60, 90 min) erheblich.

Verformungen im Brandfall

Die Beurteilung der Verformung von Rohrbefestigungen im Brandfall ist komplex. Ein Anteil der Verformungen im Brandfall entsteht durch die thermische Längenänderung beim Erwärmen der Bauteile. Hinzu kommen erhebliche Verformungseinflüsse aus den Änderungen der Werkstoffeigenschaften bei steigenden Temperaturen. Der Elastizi­tätsmodul (E-Modul) sinkt mit steigender Temperatur, so dass sich die elastische Verformung erhöht. Zu diesen reversiblen Verfor­mungsanteilen kommen irreversible Verformungsanteile hinzu. Die Proportionalitäts- und die Fließgrenze von Stahl sinken mit steigen­der Temperatur ebenfalls erheblich. Hierdurch entstehen irreversible (teil)plastische Verformungen im Bauteil, die erhebliche Ausmaße annehmen können. Zusätzlich besteht bei Stählen auch eine Kriechneigung unter dem Einfluss hoher Temperaturen. Diese Ver­formungen von Montageschienen können bei unzureichender Be­rücksichtigung zu einem lokalen Stabilitätsversagen einer entspre­chenden Konstruktion führen. Dies zeigt, welche Einflüsse bei der Beurteilung der Vorformung einer Montageschiene unter Brand­einwirkung zu berücksichtigen sind.

DIN EN 1993-1-2, Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall gilt für den Entwurf, die Berechnung und die Be­messung von Bauwerken aus Stahl. Diese Norm behandelt im Spe­ziellen die Bemessung von Stahl­kon­struk­tionen für die außer­gewöhnliche Situation einer Brandeinwirkung. DIN EN 1993-1-2 enthält auch Aussagen über die zu erwartenden Werkstoff­eigenschaften von Baustählen unter Brandeinwirkung. Hierbei wer­den sogenannte temperaturabhängige Abminderungsfaktoren für Eigenschaften wie z. B. die Proportionalitätsgrenze definiert.

Dies – und die allgemeine Akzeptanz – machen diese Norm auch für die Beurteilung von Montageschienen für die Rohrbefestigung unter Brandeinwirkung sehr interessant. Insbesondere, da im Anwen­dungsbereich von DIN EN 1993-1-2 ausdrücklich vermerkt ist, dass die angegebenen Verfahren ebenfalls auf kaltgeformte dünnwandige Bauteile im Anwendungsbereich von EN 1993-1-2 anwendbar sind. Und Montageschienen sind in der Regel kaltgeformte dünnwandige Bauteile.

Ergebnisse von Brandversuchen

Auf Basis von DIN EN 1993-1-2 lassen sich rechnerisch Aussagen über das zu erwartende Verhalten von Montageschienen unter Brandeinwirkung in Bezug auf ihr Spannungs- und Verformungs­verhalten herleiten. Die Gütegemeinschaft Rohrbefestigung hat nun die rechnerischen Aussagen zum Verformungsverhalten von Monta­geschienen im Rahmen von Branduntersuchungen in einem Groß­brandofen bei der MPA Braunschweig überprüft.

Hierbei wurden Montageschienen unterschiedlicher Wandstärke, Bauhöhe, Geometrie und Spannweite von unterschiedlichen Her­stellern in einer Brandprüfung mit Brandbeanspruchung analog DIN EN 1363-1 untersucht. Die Werkstoffeigenschaften der Prüfkörper wurden vor und nach dem Versuch werkstoffwissenschaftlich be­stimmt. Die Auslegung der Versuchspaarungen erfolgte auf Basis von Berechnungen nach DIN EN 1993-1-2 unter Nutzung der realen Werkstoffeigenschaften. Die auftretenden Verformungen und Bau­teiltemperaturen wurden mit hoher Genauigkeit elektronisch erfasst.

Die Gütegemeinschaft Rohrbefestigung hat sodann die Ergebnisse aus eigenen und von verschiedenen Herstellern im Vorfeld durch­geführten Branduntersuchungen zur Gesamtbeurteilung mit heran­gezogen.

Die Prüfergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Temperatur, ins­besondere oberhalb von 700 °C, die experimentell ermittelten Ver­formungswerte die nach DIN EN 1993-1-2 errechneten Verfor­mungswerte deutlich übersteigen! Diese Abweichungen sind für die Bemessung der Verformung von dünnwandigen Montageschienen für den Brandfall relevant, da diese Profile bei Brandbeanspruchung nach Einheitstemperaturkurve (ETK) bereits ab der 15. Brandminute Stahltemperaturen von 700 °C erreichen. Dieses Ergebnis wird auch von verschiedenen Experten gestützt. So stellt z. B. die MFPA Leipzig in einer diesbezüglichen gutachterlichen Stellungnahme zur Verformungsberechnung von Montageschienen im Brandfall klar, dass „die in der Realität auftretenden Verformungen dünnwandiger Montageschienen in den meisten Fällen deutlich größer sind als mit DIN EN 1993-1-2 rechnerisch ermittelt“.

Ursachenermittlung

Worauf basieren nun diese Abweichungen zwischen dem realen und dem nach DIN EN 1993-1-2 errechneten Verformungsverhalten? Kernpunkt der Verformungsberechnung nach DIN EN 1993-1-2 ist eine temperaturabhängige Spannungs-Dehnungsbeziehung des Werkstoffs Stahl. Sie wird im Eurocode 3 durch eine abschnittweise formulierte Kennlinie definiert. Diese Spannungs-Dehnungsbeziehung wurde für den statischen konstruk­tiven Stahlbau entwickelt. Üblicherweise betragen Spannungen von Bauteilen im Stahlbau maximal 70 % der Fließspannung bezogen auf Raumtemperatur. Ausnutzungsgrade unter 50 % sind aus wirtschaft­lichen Gründen sehr selten. Diese Grenze ist aber bei den Abminderungsfaktoren aus DIN EN 10993-1-2 bereits bei 600 °C Stahltemperatur erreicht. Wird im strukturellen Stahlbau Hochtempe­raturbeständigkeit gefordert, so ist dies über intumeszierende Be­schichtungen oder Brandschutzbekleidungen oft viel wirtschaftlicher zu erreichen.

Temperaturen von 600 °C können Montageschienen in einer ETK-Brandprüfung bereits nach 6 min erreichen. Aufgrund ihrer dün­nen Wandstärke folgen sie den Umgebungstemperaturen verzöge­rungsarm. Die Messergebnisse der MPA Braunschweig zeigen ins­besondere oberhalb vom 700 °C klare Abweichungen zum Materi­almodell des Eurocode 3. Diese Temperaturen sind für Auslegungen im konstruktiven Stahlbau von nur marginaler Relevanz. Hierdurch wird klar, warum die Anwendung einer Stahlbaunorm wie DIN EN 1993-1-2 für die Bemessung von Produkten zur Rohrbefestigung ein erhebliches Problempotential bietet und besonderer Sorgfalt bedarf.

Resultierende Empfehlungen

Als Ergebnis bleibt festzustellen, dass die Verformungen der dünn­wandigen Montageschienen bei Anwendung der Spannungs-Deh­nungsbeziehung auf Basis DIN EN 1993-1-2 oft unterschätzt wer­den. Die Funktionalität einer darunterliegenden, brandschutztech­nisch wirksamen Unterdecke kann dann im Brandfall nicht mehr sichergestellt werden, da eine mechanische Schädigung nicht aus­geschlossen werden kann.

Aus diesem Grund empfiehlt die RAL Gütegemeinschaft Rohrbefes­tigung, die Anwendung der DIN EN 1993-1-2 zur Berechnung der Verformung dünnwandiger, kaltprofilierter, offener Profile aus Stahl im Brandfall aufgrund derzeitiger Forschungsergebnisse auszuset­zen. Die Beurteilung des Verformungsverhaltens von Montage­schienen unter Brandeinwirkung sollte auf Basis von Ergebnissen von Brandprüfungen mit Brandbeanspruchung nach DIN EN 1363-1 erfolgen. Die Anwendung der DIN EN 1993-1-2 für die Beurteilung von Bauteilspannungen oder für andere als die genannten Produkte ist von dieser Empfehlung nicht betroffen.

Die RAL Gütegemeinschaft Rohrbefestigung wird diese Fragestel­lungen auch zukünftig in weiteren Untersuchungen und Prüfreihen bearbeiten, um eine neutrale technische Klärung für die Branche herbeiführen zu können. So wie zwischen den beteiligten For­schungs- und Prüfstellen Konsens mit den eingebunden Experten der Hersteller besteht, wird ein resultierendes Bemessungs- und Bewertungsverfahren in Ergänzung zur RAL-GZ 656 „Brandgeprüfte Rohrbefestigung“ veröffentlicht werden.