Brandschutztechnischer Nachweis von historischen Stahlstützen am praktischen Beispiel

Die Historie des Gewerbehofs Wiesendamm 22-30 in Hamburg geht auf das Jahr 1917 zurück. Das Gebäude wurde für die Maschinenfabrik Heidenreich &Harbeck errichtet und in den Folgejahren erweitert, umgebaut, ausgebaut, aufgestockt, tw. rückgebaut und umgenutzt. Bezüglich des Tragwerks wurde es 1937 wesentlich erweitert. Nun wurde das Gebäude einer neuen Nutzung als Theater zugeführt. Im Zuge des Brandschutzkonzepts und der Abstimmungen mit der Bauaufsicht wurde die Anforderung feuerbeständig für das Tragwerk, insbesondere für die Stahlstützen festgelegt. Im Rahmen der Ausführungsplanung wurde mit allen Beteiligten abgestimmt, dass eine brandschutztechnische Bemessung der Stützen mit einem Naturbrandszenario und einer gleichwertigen Sicherheit zu feuerbeständigen Stützen umgesetzt werden soll. Die Herausforderung dabei liegt insbesondere in der Tatsache, dass über 70 Stützen im Brandfall zu betrachten sind. Dabei liegen zehn unterschiedliche Querschnitte, sechs unterschiedliche Knicklängen und sechs verschiedene Belastungen vor. Weiterhin sind diese Stützen über das ganze Gebäude verteilt und weisen unterschiedlichste thermische Einwirkungen im Brandfall auf. Erschwerend kommt hinzu, dass die Anwendbarkeit der Spannungs-Dehnungsbeziehung sowie der thermischen Materialkennwerte im Brandfall aus DIN EN 1993-1-2 bei dem Stahl aus 1917 fraglich ist. Im Zuge einer wirtschaftlichen und einfachen Bemessung im Brandfall wurden die Stützen bez. der thermischen Einwirkung gruppiert und entsprechende Brandsimulationen mit dem Feldmodell FDS durchgeführt. Hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung wurden die ungünstigen Stützen ermittelt, den Gruppen aus der thermischen Einwirkung zugeordnet und im Brandfall bemessen. Zur Absicherung der Bemessung im Brandfall wurden Proben aus den Stützen entnommen und sowohl bei Normaltemperatur als auch bei hohen Temperaturen bez. der Festigkeiten und der Spannungs-Dehnungsbeziehungen untersucht. Begleitend von Literaturrecherchen konnten die Grundlagen für die mechanischen Simulationen festgestellt werden. In dem Beitrag werden das Vorgehen, die Berechnungen und auch die Versuchsergebnisse beschrieben.

A practical design of historical comumns with the use of natural fires
The Wiesendamm 22-30 industrial complex in Hamburg was established in 1917. The building was designed for the Heidenreich &Harbeck machine factory and in the following years was expanded, rebuilt, partially deconstructed and converted in its usage; in 1937 the structure of the building was substantially expanded. It is planned to re-use the building as a public theatre. In the fire safety strategy and in alignment with the building authorities, the minimum fire resistance for the building structure (including the steel columns) was set to 90 minutes. It soon became apparent that any form of passive fire protection of the columns should be avoided. Therefore all parties agreed that the steel columns should be subjected to a natural fire design scenario. The challenge lies in particular in the fact that more than 70 columns have to be considered in case of fire. There are ten different cross-sections, six different buckling lengths and six different loads. Furthermore, the columns are distributed throughout the building and thereby subjected to different thermal influences in case of fire. Finally, the applicability of the stress-strain relationship as well as the thermal material characteristics of the steel DIN EN 1993-1-2 from 1917 in the event of a fire is questionable. In the course of an economical approach, the steel columns were grouped with respect to the expected thermal exposure and subjected to corresponding fire simulations using the field model FDS. Regarding the existing mechanical stress on the columns, the most affected columns were identified, assigned to the groups of thermal influences and measured/ modeled under fire conditions. To validate the above fire engineered approach, samples were taken from the columns and examined regarding their strength and stress-strain-relationships at both normal and high temperatures. Accompanied by a literature research, the basic assumptions of the structural fire design simulations could be determined. The article describes the chosen procedure, calculations and associated test results.