Das Brandverhalten der Rippendeckenelemente in Holz-Mischbauweise: Theoretische und experimentelle Untersuchungen

Abstract

Holz gewinnt im innerstädtischen Bauwesen aufgrund des ökologischen Aspektes und besonders aufgrund der Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung. Dabei stellt Holz einen brennbaren Baustoff mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit dar. Es besticht durch das leicht berechenbare und konstante Abbrandverhalten. Dennoch wird der Werkstoff Holz in manchen Regelwerken anders berücksichtigt als Materialien der Massivbauweise. Dies ist sowohl auf die Brennbarkeit, als auch auf die geschichtliche Brandproblematik zurückzuführen. In dieser Diplomarbeit wird auf die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Lösung von Brandschutzproblemen von Holzgebäuden eingegangen. Dies geschieht unter besonderer Betrachtung von Decken bei mehrgeschoßigen Holzbauten der Gebäudeklasse 5 und höher. Um ein ausreichendes Sicherheitsniveau zu erzielen werden in den Richtlinien, ab einer gewissen Geschoßanzahl, Kompensationsmaßnahmen vorgeschrieben. Dabei unterscheidet man anlagentechnische Kompensationsmaßnahmen durch Löschanlagen und bauliche Kompensationsmaßnahmen durch Kapselung. Welche der Beiden tatsächlich gewählt wird, ist den Planern überlassen und wird durch das Abwägen der Vorund Nachteile projektbezogen beurteilt. Um den hohen Anforderungen im Bauwesen gerecht zu werden und ressourceneffiziente Bauwerke zu ermöglichen, wird zunehmend auf den Einsatz von Verbundkonstruktionen gesetzt. Mit diesen kann man sich die Vorteile der unterschiedlichen Materialeigenschaften zu Nutze machen. Im Zuge eines „Sparkling Science“ Projektes an der TU Wien wurde eine Holz-Stahl-Beton-Rippendecke entwickelt und getestet. Bei diversen Versuchen konnten einige positive Eigenschaften von Verbundkonstruktionen bewiesen werden. Im Zuge einer umfassenden Analyse der Rippendecke wurden zwei Brandversuche an einem dem Prüfofen angepassten Hybridquerschnitt durchgeführt. Diese wurden über 90 Minuten der Einheitstemperaturkurve ausgesetzt und es wurden die Temperaturen der einzelnen Materialien gemessen. Aus den gewonnen Temperaturmesswerten konnten Rückschlüsse auf das Abbrandverhalten der Holzträger und dem damit verbundenen Schutz des Stahls dargestellt werden. Des Weiteren wurden die Temperaturentwicklung und das Abplatzverhalten des Stahlbetons untersucht. Auf Basis der Versuchsergebnisse wurde mithilfe eines statischen Modells die Tragfähigkeit auf eine Rippendecke mit 6 m Spannweite umgelegt und berechnet. Dafür wurden die Normalspannungsverläufe untersucht und ausgewertet. Das Ziel, des Nachweises der Tragfähigkeit über 90 Minuten Branddauer konnte erreicht werden, womit die Anwendbarkeit des Deckenelements im konventionellen Hochbau möglich wäre. Um dies nachzuweisen müssen allerdings noch weitere Brandversuche durchgeführt werden, in denen neben der Tragfähigkeit auch die Wärmedämmung und der Raumabschluss untersucht werden.

The ecological sustainability of inner-city timber construction projects has become increasingly important in recent years. Timber is a combustible building material with a low thermal conductivity. Its behaviour during combustion is predictable and quantifiable. Due to its flammable nature and historical fire problems, timber has been problematic in multi-storey building construction. It consequently has different building regulations than most materials used in standard construction methods. This thesis investigates different possibilities of solving fire protection problems in wooden buildings. Special considerations are given to ceilings in multi-storey timber buildings of building class 5 and higher. To achieve a sufficient safety level, compensatory measures are prescribed for these buildings in building guidelines. A distinction is made between extinguishing systems and structural compensatory measures through encapsulation. The chosen safety measures are up to the planners and are judged on a project-by-project basis by weighing their respective advantages and disadvantages. In order to meet the high requirements in the construction industry and enable resource-efficient structures, the use of composite structures is increasing. Composite materials enable the utilization of multiple different material properties. As part of a "Sparkling Science" project of the Vienna University of Technology, a wood-steel-concrete ribbed ceiling was tested. The results of various tests on composite structures have demonstrated positive outcomes. During a comprehensive analysis of the ribbed ceiling, two fire tests were carried out on a hybrid cross-section adapted to the test oven. They have been exposed to a uniform temperature curve for 90 minutes, and the temperatures of the individual materials were measured. From the temperature measurements obtained during testing it was possible to draw conclusions about the burning behaviour of the wooden beams and the associated protection given by the steel. Furthermore, the temperature development and the flaking behaviour of the reinforced concrete were investigated. A static model was developed based on the test results and used to calculate the load capacity on a ribbed deck with a span of 6 m, where the resultant stress curves were examined and evaluated. The aim of demonstrating the load-bearing capacity over 90 minutes fire duration could be achieved, which would make the use of the ceiling element in conventional building construction possible. To prove this, further fire tests must be carried out, in which not only the load-bearing capacity but also the thermal insulation and the room closure are examined.