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Brandschutztechnische Analyse von Massiv- und Holzbauweisen
O. Univ. Prof. DDr. Ulrich Schneider, Dipl.-Ing. Monika Oswald,
Institut für Baustofflehre, Bauphysik und Brandschutz, TU Wien

1 Einleitung
Jedes Gebäude ist dem Gefahrenfall Brand ausgesetzt. Der Verlauf von Bränden ist durch eine Vielzahl von Einflussgrössen vorgegeben, die hemmend oder begünstigend auf den Brandverlauf wirken bzw. die daraus resultierenden Schäden beeinflussen. Aufgabe des Planers ist es, die Grundsätze des Brandschutzes zu beachten, d. h., das Ereignis Brand muss bereits im Entwurfsstadium als Lastfall berücksichtigt werden. Entsprechend ihrer Wirkung in bezug auf die Brandsicherheit eines Gebäudes unterscheidet man zwischen potentiellen Gefahren und Schutzmassnahmen. Die vorzunehmenden Schutzmassnahmen sind wiederum abhängig vom Brandrisiko und den Vorgaben in bezug auf die angestrebten Schutzziele. Um ein bestimmtes Sicherheitsniveau im Brandschutz zu erreichen, stellt der Gesetzgeber dem Planer in Form von Richtlinien und Bestimmungen Instrumentarien zur Seite, die dazu dienen, die grundlegenden Schutzziele im Brandschutz
• den Schutz von Leben und Gesundheit von Personen im
betroffenen Gebäude und in dessen Umgebung (Personenschutz)
und
• den Schutz von Eigentum und die Begrenzung finanzieller
Schäden im betroffenen Gebäude und in dessen Umgebung
(Sachwertschutz)
zu erreichen. In der Bundesrepublik Deutschland und in Österreich sind in jüngster Zeit in der Entwicklung der baurechtlichen Bestimmungen gravierende Änderungen in den Brandschutznormen und Baugesetzen erkennbar, die z. B. Abminderungen bezüglich der Brennbarkeit von Baustoffen und des Brandwiderstands bei den Bauteilen im Wohngeschossbau zur Folge haben. In diesem Zusammenhang wurde in Deutschland der Entwurf einer technischen Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen an Bauteile von Gebäuden der Gebäudeklasse 4 in Holzbauweise vorgelegt, welche die Einhaltung des bisherigen Brandsicherheitsniveaus bis 13 m Geschosshöhe sicherstellen soll. Im Folgenden wird diese Entwicklung anhand neuester Forschungsergebnisse der TU Wien, welche im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte in den zurückliegenden Jahren gewonnen wurden, im Detail dargelegt. Insbesondere wurden vergleichende Risikobetrachtungen an mehrgeschossigen Wohngebäuden (mehr als zwei Geschosse) in Holzbauund Massivbauweise durchgeführt.

2 Brandlasten in Wohngebäuden
Das Brandgeschehen in einer Wohnung entwickelt sich umso kritischer, je grösser der Anteil an brennbarem Inventar sowie an brennbaren und ungeschützten Bauteilen im und am Gebäude ist. Die Abb. 1 stellt die grundsätzliche Gliederung der Gesamtbrandlast in einem Gebäude dar (nach [7] und [13)]. Danach setzt sich die Gesamtbrandlast aus den mobilen und den konstruktiven Brandlasten zusammen. Der Gebäudeinhalt stellt dabei die mobile Brandlast mit allen im Gebäude vorhandenen Einrichtungsgegenständen, den nutzungsspezifischen Ausstattungen und dem Mobiliar dar. Die mobile Brandlast beschreibt dabei im Wohnbau eine nur sehr schwer zu bestimmende Grösse, die nicht allgemeingültig festgelegt werden kann, weil sie auch abhängig ist von den persönlichen Verhältnissen und Lebensgewohnheiten, zeitlichen Modeerscheinungen, dem sozialen Umfeld sowie weiteren sozioökonomischen Faktoren.

Abb. 1: Zusammensetzung der Brandlastanteile in einem Gebäude nach [7]

Die konstruktive, immobile Brandlast hingegen setzt sich ausder bauweisenspezifischen und den konstruktionsneutralen Brandlasten zusammen, Grössen die für unterschiedliche Bauweisen eindeutig festgelegt und bestimmt werden können. Die bauweisenspezifische Brandlast ist abhängig von der Trag- und Ausbaukonstruktion und den dabei verwendeten Materialien. Die konstruktionsneutralen Brandlasten beziehen sich hingegen auf Einbauten im Gebäude, die sowohl bei Massiv- als auch bei Holzbauten Verwendung finden, wie z. B. Fenster, Türen, Installationen, sonstige Gebäudetechniken usw.

Abb. 2: Gegenüberstellung der konstruktiven und mobilen Brandlasten für unterschiedliche Bauweisen in einem 4-geschossigen Wohnbau mit ca. 800 m2 Wohnnutzfläche nach [1]

Die Abb. 2 zeigt, dass sich die Brandlasten in einem mehrgeschossigen Wohnbau mit einer durchschnittlichen Wohnnutzfläche von ca. 800 m2 bei den vier angegebenen Konstruktionsarten insgesamt bis zu einem Faktor vier unterscheiden; d. h., in einem Holzwohnbau sind die zwei- bis vierfachen Mengen an brennbaren Stoffen vorhanden wie in einem Massivwohnbau [1]. Dementsprechend ist naturgemäss mit einem deutlich höheren Brandrisiko zu rechnen, wie in [7] eindeutig gezeigt ist und auch aufgrund einer über zehn Jahre geführten
Brandstatistik von Wohngebäuden [28] eindeutig belegt wurde. Darauf wird später noch eingegangen.
Der Vergleich der bauweisenspezifischen Brandlasten für unterschiedliche Holzbauweisen mit dem Massivbau in der
Abb. 2 zeigt weiterhin, dass der Holzrippenbau im Vergleich zum Massivbau etwa die 9,5fache Menge an konstruktiven
Brandlasten aufweist. Der Skelettbau erreicht bereits die 21fache Menge an konstruktiven, brennbaren Bestandteilen und die Brettstapelkonstruktion die 31,5fache Menge an konstruktiven Brandlasten gegenüber dem Massivbau. Diese Gegenüberstellung zeigt deutlich, dass die konstruktiven Brandlasten bei Holzkonstruktionen in einem massgeblichen Verhältnis zu den Gesamtbrandlasten stehen und deshalb naturgemäss im Brandfall durch die dem Baustoff Holz immanente Eigenschaft der Brennbarkeit wesentlichen Einfluss auf die Brandentstehung und -entwicklung nehmen (vgl. [1]). Bauteilkonstruktionen, die brennbare Baustoffe z. B. in Form von Vollholz, Holzwerkstoffen oder organischen Dämmstoffen enthalten, weisen nach [1] und [7] grundsätzlich folgende zusätzliche oder erschwerende Gefahrenpotentiale gegenüber nichtbrennbaren Massivbauten auf:

1. Zusätzlicher Eintrag von Brandlasten
2. Erhöhung der Rauchgasentwicklung und Pyrolyseprodukte
3. Zusätzliche Bildung und Ausbreitung von Kohlenmonoxid
4. Brandentstehung innerhalb der Konstruktion
5. Brandeinleitung und Weiterleitungin Konstruktionshohlräumen
6. Gefahr von Nachentzündungen und Bildung von Glutnestern
7. Erhöhung der Flash-over-Gefahr
Am bedenklichsten für das Brandgeschehen ist in dieser Auflistung der zusätzliche Eintrag von konstruktiven Brandlasten zu bewerten, da brennbare Baustoffe, wenn sie dem Feuer zugänglich sind, sich im Brandfall vergleichsweise schnell thermisch zersetzen und zusätzliche Energie sowie toxische Brandgase freisetzen.

Abb. 3: Einfluss der bauweisenspezifischen Brandlasten auf dasBrandszenarium

Die Abb. 3 zeigt qualitativ die zu erwartenden Temperaturentwicklungen bei einem Brand in einem Massivbau und in einem Holzbau. Es zeigt sich, dass bei Wohngebäuden aus nichtbrennbaren Baustoffen (z. B. Mauerwerks- oder Stahlbetonbau) der Brand nach dem Verzehren der mobilen und konstruktionsneutralen Brandlasten im Brandfall schnell erlischt. Bei der Holzbauweise hingegen beteiligen sich zusätzlich zu den mobilen Brandlasten die dem Feuer mittelbar oder unmittelbar zugänglichen Trag- und Bekleidungskonstruktionen am Brandgeschehen. Es ist damit zu rechnen, dass während eines Brandes die durch nichtbrennbare Bekleidungen bis zu einem gewissen Zeitpunkt geschützten immobilen Brandlasten (z. B. Wandständer, Holzbalken in Deckenkonstruktionen usw.) sich zeitlich verzögert ebenfalls am Brandgeschehen beteiligen; d. h., Holzkonstruktionen weisen prinzipiell im Brandfall einen höheren Energieeintrag, eine grössere Temperatur- und Brandgasentwicklung und in weiterer Folge eine grösseren Zerstörungsgrad am Gebäude auf als Massivbauten. Im Hinblick auf die Brandgasentwicklung ist anzumerken, dassüber Zweidrittel der vorher genannten Brandopfer an Rauchgasen, vor allem an Kohlenmonoxid (CO), sterben.

Die nachstehenden Abb. 4 und 5 zeigen die gemessene Entwicklung von CO
im Zuge von Brandversuchen auf [11]. Untersucht wurden Brände in einer Brandkammer und die Entwicklung der CO-Konzentrationen in bestimmten Entfernungen vom Kammeraustritt. Die Brandkammer war entweder mit brennbaren oder mit nichtbrennbaren Baustoffen ausgekleidet.

Abb. 4: Messung der CO-Entwicklung ausserhalb des Brandraumes nach [11]

Abb. 5: Messung der CO-Entwicklung ausserhalb des Brandraumes nach [11]

Die Abb. 4 zeigt die COKonzentrationen für einen Versuch ohne Holzverkleidung in der Kammer. Die Abb. 5 zeigt den gleichen Versuch in einer mit Holz ausgekleideten Kammer. Man erkennt unmittelbar, dass die COKonzentrationen im zweiten Fall teilweise um mehr als das Dreifache zunehmen, d. h., das Brandrisiko steigt auch ausserhalb des Brandraumes erheblich an. Anzumerken wäre hier, dass bereits Einwirkungen von CO-Konzentrationen oberhalb von 0,8 Volumenprozent in der Atemluft zum sofortigen Tod führen.

Im Rahmen eines zweijährigen Forschungsprojektes hat sich das Institut für Baustofflehre, Bauphysik und Brandschutz der TU Wien mit Fragen der Sicherheit und des Verhaltens von mehrgeschossigen Wohngebäuden im Falle von Bränden beschäftigt. Dabei hat sich neben der detaillierten Untersuchung des Brandlasteinflusses ergeben, dass die derzeit übliche Brandschutzberechnung einzelner Bauteile im Hinblick auf das Verhalten der Gesamtkonstruktion je nach Bauart zu Risiken führen kann, welche vor allem im Wohngeschossbau zu beachten
sind, wenn überwiegend brennbare Baustoffe zur Anwendung kommen [13].

Die konstruktive Untersuchung eines Bauwerks bzw. die Bewertung der Gesamtkonstruktion unter Brandeinwirkung erfordert einerseits die Betrachtung einzelner Bauteile im Hinblick auf die verwendeten Baustoffe und ihre Herstellung sowie der Bauteilfunktion und andererseits die Beurteilung des Zusammenwirkens sämtlicher onstruktionselemente als Ganzes. Es ist vollkommen klar, dass der Brandwiderstand einzelner tragender Bauteile, z. B. von Stützen, den Brandwiderstand der Gesamtkonstruktion ausschlaggebend beeinflussen kann. Für den mehrgeschossigen Wohnbau ist der Einbau von tragenden Einzelstützen allerdings nicht relevant. Hier überwiegt das Zusammenwirken der einzelnen Bauteile unter Berücksichtigung des Verhaltens von Unterstützungen, Anschlüssen und Verbindungen, wobei im Holzbau zusätzlich die Wirksamkeit von Aussteifungen zur Vermeidung eines Stabilitätsversagens zu beachten ist. Die Standsicherheit eines Gebäudes unter den üblichen Gebrauchslasten ist im Falle zusätzlicher Brandeinwirkungen insoweit sehr schwierig zu beurteilen. Die Frage, ob die normgerechte brandschutztechnische
Bemessung von Einzelbauteilen zur Erzielung eines adäquaten Brandverhaltens der Gesamtkonstruktion führt, wird im Folgenden für die Massiv- und die Holzbauweise anhand einzelner Bauelemente und deren Zusammenwirken untersucht.Im Detail werden folgende Bauelemente und Konstruktionen des Wohngeschossbaus untersucht und bewertet:
• Wandbauteile
• Deckenbauteile
• Verbindungen, Anschlüsse und Fugen
• Fassaden
• Öffnungen

3 Beurteilung unterschiedlicher Bauarten und Bauelemente
3.1 Wandbauteile in Massivbauweise Massive tragende Wände müssen bereits aus statischen Gründen derart bemessen sein, dass die Konstruktion in jedem Fall mindestens der Klassifikation F 90 (zukünftig REI 90 nach [27]) entspricht. Mauerwerks- oder Stahlbetonkonstruktionen besitzen somit im Gegensatz zu den Konstruktionsweisen aus Holz im Wohnbau üblicherweise «stille» Reserven hinsichtlich ihrer Feuerwiderstandsdauer, welche dazu beigetragen haben, dass die Brandsicherheit im Wohngeschossbau bei uns als vergleichsweise hoch eingestuft wurde. Man könnte auch umgekehrt sagen, die übliche Massivbaukonstruktion im Wohnbau ist hinsichtlich des Brandschutzes überbemessen.

In den nachstehenden Abb. 6, 7 und 8 sind einige Beispiele für tragende Wände in ein- und zweischaliger Ausführung dargestellt. In Abhängigkeit vom Baumaterial und der Wandstärke wird bereits bei typischen Wohnbaukonstruktionen eine Einreihung in die Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102-4 mit einer F180-(REI180-)Klassifikation erzielt, obwohl die baurechtlichen Anforderungen typischerweise die Klasse F90 bzw. F60 (neue Musterbauordnung BRD, MBO 2002) nicht überschreiten. Für das einschalige Mauerwerk in Abb. 6 ist hierfür eine vollfugig versetzte Mauerziegelwand mit einer Mindestdicke von 24 cm und beidseitigem Verputz mit einer Putzdicke von mindestens 1,5 cm erforderlich. Eine einschalige tragende Wand aus Mantelbetonsteinen erreicht dieselbe brandschutztechnische Klassifikation mit einer Mindestkerndicke von 20 cm und beidseitigem Verputz (siehe Abb. 7).

Abb. 6:Ausführungsbeispiel einer tragenden Wand aus Mauerziegel

Abb. 7:Ausführungsbeispiel einer tragenden Wand aus Mantelbeton

Abb. 8: Ausführungsbeispiel einer tragenden zweischaligen Wand aus Mauerwerk

Das Ausführungsbeispiel einer zweischaligen tragenden Wand aus Mauerwerk erlangt bereits durch die tragende Innenschale aus Mauerziegel mit einer Mindestdicke von 24 cm und innenseitigem 1,5 cm dickem Verputz die F180-(REI180-)Klassifikation (siehe Abb. 8).
Es zeigt sich somit eindeutig, dass massive Wände bereits aufgrund ihrer statischen Ausbildung und den daraus resultierenden Querschnitten, eine grosse Masse,Wärmespeicherfähigkeit und Feuerwiderstandsdauer besitzen. Im mehrgeschossigen Wohnbau in Massivbauweise ist davon auszugehen, dass die massiven Wände während eines Raumbrandes nur einseitig beflammt werden, da es sich in der Regel um die Aussenwände des Gebäudes oder Querschnitte zwischen den Wohneinheiten handelt.

Die Konstruktionen haben im allgemeinen enorme Reserven hinsichtlich ihres Feuerwiderstandes, welche in der Vergangenheit aufgrund der bauaufsichtlichen Anforderung F90 (stillschweigend) in Anspruch genommen wurden, sodass sich im Wohnbau quasi automatisch ein hohes Brandsicherheitsniveau ergab. Die einseitige Brandbelastung von tragenden Wänden kann zu den in der Abb. 9 dargestellten Spannungen im Mauerwerk sowie zu Exzentrizitäten infolge von Materialzerstörungen führen. Obwohl sich massive Bauteile im Brandfall nur langsam erwärmen, können sich an der Oberfläche der feuerzugewandten Seite der Wand in Abhängigkeit von der Branddauer Risse bilden und schalenförmige Abplatzungen bis zu 2 cm entstehen. Im Hinblick auf das Tragverhalten verhindert der Putzmörtel zunächst das Abplatzen, d. h., die Dicke der beschädigten Mauerwerksschale, die maximal 2 cm beträgt, kann durch den Innenputz verringert werden.

Abb. 9: Spannungsverteilung im Wandquerschnitt unter Brandbelastung

Ein- und zweischalige Wände in Massivbauweise können in der Realität, d. h. unter Berücksichtigung der Brandwirkungen infolge der im Wohnbau tatsächlich vorhandenen Brandlasten, grundsätzlich nahezu beliebig lange dem Feuer Widerstand leisten. Der Einfluss der Dämmstoffe im Brandfall kann dabei prinzipiell vernachlässigt werden, da die Dämmmaterialen durch den Verputz, die Mauerwerkssteine bzw. den Stahlbeton hinreichend vor der Brandeinwirkung geschützt sind und bei einem Raumbrand in einem massiven Wohngebäude üblicherweise keinen nennenswerten Beitrag zur Brandlast leisten. Somit ist eine unmittelbare Beteiligung der Dämmschichten an einer Brandübertragung mit grosser Wahrscheinlichkeit auszuschliessen. Es sind auch keine Schadensfälle bekannt, bei denen der Dämmstoff zwischen nichtbrennbaren Wetterschutz- und Tragschichten zur Brandweiterleitung beigetragen hätte [23].

3.2 Wandbauteile in Holzbauweise
Ein Wandbauteil in Holzbauweise muss zahlreiche Anforderungen erfüllen, um die Entzündung der brennbaren Tragkonstruktion zu verhindern. Eines der wesentlichen Kriterien im mehrgeschossigen Wohnbau in Holzbauweise ist eine «brandschutztechnisch wirksame» raumseitige Beplankung des Wandbauteils. Sie muss derart ausgeführt werden, dass die Entzündung der brennbaren Tragkonstruktion sowohl während der Brandbelastung als auch in der Abkühlphase wirkungsvoll verhindert wird. Gravierende Beschädigungen, z. B. in Form von klaffenden, durchgehenden Rissen bzw. ein Abfallen oder Ablösen der Beplankung, sind unter Brandbeanspruchung praktisch nicht zu vermeiden.

Eine wirksame Brandschutzbekleidung muss, wenn sie in baurechtlichen Vorschriften einen festen Platz erhalten soll, brandschutztechnisch genau beurteilt werden. Die Festlegung des Zeitraumes bis zum Versagen der Beplankungen unter Brandbeanspruchung erfolgte deshalb erstmalig im Entwurf der deutschen «Muster-Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen von Gebäuden der Gebäudeklasse 4 in Holzbauweise» [19], für eine Prüfung nach DIN 14135 (F60) mit mindestens 60 Minuten. Die determinierten Leistungskriterien sind dabei die Verhinderung der Entzündung bzw. Verkohlung des Holztragsystems unterhalb der Brandschutzbekleidung bei 300 °C. Das Versagenskriterium ist in der Regel der Verlust des Raumabschlusses («E»-Kriterium) durch Versagen der Kapselung.

In den nachfolgenden Abb. 10 und 11 sind unterschiedliche Lösungsvarianten eines Wandanschlusses gegenübergestellt. Die Abb. 10 zeigt ein Anschlussbeispiel für eine Trennwand an eine Aussenwand gemäss den Standardlösungen der PROHOLZ- Österreich [24]. Die innenseitige Brandschutzbekleidung der Aussenwand wird darin mit einer Lage Gipsfaserplatte in 10 mm Dicke als ausreichend angegeben. Eine einlagige Gipskartonbeplankung hat sich jedoch aus der Sicht des Brandschutzes generell als ungenügend herausgestellt, d. h., eine derartige Verkleidung kann die Holzkonstruktion nicht über einen längeren Zeitraum vor der Brandeinwirkung schützen. Des weiteren wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den fehlenden Versatz der Brandschutzbekleidungen im Eckebereich eine vorzeitige Entzündung der Tragkonstruktion im Brandfall begünstigt.

Abb. 10: Lösungsvariante eines Anschlusses Aussenwand- Trennwand nach PROHOLZÖsterreich [24]

Abb. 11: Lösungsvariante eines Anschlusses tragender, raumabschliessender Wände nach Muster-Holzbaurichtlinie [19]

Demgegenüber stellt die Abb. 11 eine Lösungsvariante gemäss den Anforderungen der in Deutschland entwickelten Muster- Holzbaurichtlinie [19] dar. Für die Brandschutzbekleidung dürfen hierbei nur nichtbrennbare Verkleidungsmaterialien verwendet werden. Die Herstellung der Verkleidung der tragenden Konstruktion muss mindestens aus zwei Plattenlagen mit annähernd gleichem Temperatur- und Verformungsverhalten erfolgen, wobei die Fugen bei allen Wand- und Deckenanschlüssen versetzt angeordnet sein müssen. Des weiteren werden die Holzsteher der beiden Wandelemente im Stossbereich miteinander verschraubt. Die Konstruktion hat zwar den Nachteil, dass bei Wohngebäuden in Holzkonstruktion das Holz optisch verschwindet, sie hat jedoch den Vorteil einer vergleichsweise brandsicheren Bauweise. In Österreich ist manderzeit noch weit entfernt von der Realisierung derartiger Konstruktionen, d. h., es gibt keine Holzbaurichtlinie für den Brandschutz.

Auch bei einer zweilagigen Beplankung ist der Brandschutz des Holztragsystems nur unter der Einhaltung aller in weiterer Folge angeführten Kriterien gegeben. Wie sich bei Versuchen gezeigt hat [18], reicht z. B. eine zweilagige Gipskartonverkleidung mit je 15 mm Stärke möglicherweise nicht aus, um das Tragwerk wirksam vor einer Brandbelastung zu schützen. Selbst wenn die Gipskartonbeplankung unter Brandeinwirkung intakt bleibt bzw. nicht abfällt, kann es bei unzureichender Ausbildung der Plattenstösse zu einer thermischen Zersetzung der darunterliegenden Holzkonstruktion kommen.

Im Zuge einer Forschungsarbeit wurden Versuche zum Zündverhalten von Holzkonstruktionen am Institut für Baustofflehre, Bauphysik und Brandschutz der TU Wien durchgeführt [38]. Ausgangspunkt der Überlegungen waren Brandfälle aus der Praxis, bei denen Holzkonstruktionen durch einen Glimmbrand zerstört wurden. Diese Brände ereigneten sich, ohne dass die Wärmequelle die gemeinhin als zum Anzünden von Holz genannten Zündtemperaturen erreicht hatte und obwohl die vorgeschriebenen Brandschutzverkleidungen in direkter Umgebung der Wärmequellen vorgesehen waren. Dieses Phänomen wird in der Literatur als Holzselbstentzündung bezeichnet. Dabei kann Holz unter bestimmten Bedingungen und bei einer Umgebungstemperatur, die weit unter der Zündtemperatur von Holz liegt, zünden und verglimmen. Ziel der darauf folgenden Untersuchungen war es, die Bedingungen unter denen dieses Phänomen auftreten kann, festzustellen und einen
Temperaturbereich für diese Entwicklung einzugrenzen. Zu diesem Zweck wurden Holzproben in einem Ofen über einen längeren Zeitraum von allen Seiten verschiedenen isothermen Temperaturen ausgesetzt. Ziel war es, durch Untersuchung des Temperaturanstiegs im Inneren der Proben den Beginn einer exothermen Reaktion zu beweisen und den Ablauf eines Glimmvorganges zu definieren. Als Probekörper dienten Fichtenholzwürfel in der Grösse 4 x 4 x 4 cm. Die Proben waren vor den Versuchen mindestens 6 Monate bei Raumtemperatur gelagert worden. Die Temperaturerfassung erfolgte mittels NiCr-Ni-Thermoelementen an verschiedenen Stellen in und am Probekörper. Ein weiteres Thermoelement im Luftraum des Ofens diente der Regelung der Versuchtemperatur. Die ersuchstemperaturen wurden über definierte Zeiträume beibehalten, und die Aufzeichnung aller Temperaturen erfolgte mittels eines Datenloggers alle 30 Sekunden. Die Abb. 12 zeigt den Versuchsaufbau mit dem allseitig in 2,5 cm Steinwolle eingepackten Versuchswürfel.

Abb. 12: Versuchsaufbau für Glimmbrandversuche mit in Steinwolle eingepackten Probekörpern

Die nachfolgende Abb. 13 zeigt die beim Versuch gemessenen Temperaturen im Kammerofen und die Temperaturen innerhalb sowie an der Oberfläche der Holzprobe. Im vorliegenden Beispiel wurde die maximale Ofentemperatur für den Glimmbrandversuch mit 250° C festgelegt. Hinsichtlich des Temperaturanstiegs erfolgt die Erwärmung der Probe in parallelem Verlauf zum Anstieg der Ofentemperatur. Aufgrund der Dämmung des Fichtenwürfels (2,5 cm Steinwolle) wird die Versuchstemperatur von 250° C in der Probe selbst erst eine Stunde später als im Ofen erreicht. Wie auf der Abb. 13 erkennbar ist, nähern sich die Holztemperaturen nicht den Ofentemperaturen an, sondern steigen deutlich über diese hinaus, d. h., etwa ab der 160. Minute des Brandversuches sind exotherme Vorgänge zuverzeichnen, die darauf schliessen lassen, dass der Probekörper glimmt. Diese Annahme wird dadurch untermauert, dass sogar ein leichter Anstieg der Ofentemperatur infolge des Glimmvorganges am Holzwürfel und der daraus resultierenden zusätzlichen Wärmequelle in der Abb. 13 zu verzeichnen sind;
d. h., die exothermen Reaktionen sind dermassen intensiv, dass sogar Rückwirkungen auf die Ofentemperatur (siehe channel 2 in der Abb. 13) ersichtlich sind. Die maximal erreichten Temperaturen in der Holzprobe liegen bei ca. 500° C.

Abb. 13: Glimmbrandversuch an einer isolierten Holzprobe bei einer isothermen Umgebungsbedingung von 250° C

Bei dem untersuchten Phänomen beginnt der Glimmbrand praktisch im Inneren des Probekörpers wie aus den gemessenen Temperaturverläufen hervorgeht. Durch die Hitze schrumpft das Holz, es entstehen Verformungen und Risse. Da im Zentrum der Probe die Wärmeverluste am geringsten sind, bildet sich dort ein Wärmestau. Die exothermen Reaktionen setzen Wärme frei, welche nicht rasch genug abgeführt werden kann, d. h., die Temperatur steigt. Dadurch werden die Reaktionen, gemäss Arrheniusgesetz, beschleunigt, sodass ein zusätzlicher Temperaturanstieg eintritt. So steigt die Temperatur im Innern immer weiter, bis ein Glimmbrand einsetzt. Nach insgesamt 500 Minuten (8 Stunden 20 Minuten) ist beinahe die gesamte Probe zu Asche zerfallen, es bleiben nur geringfügige Reste von den Eckbereichen des Probewürfels übrig (siehe Abb. 14).

Abb. 14: Probekörper nach dem Glimmbrandversuch bei 250° C Ofentemperatur

Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse belegen somit eindeutig, dass die Möglichkeit der Selbstentzündung von Holz bei niedrigen Temperaturen gegeben ist. Die äussere Dämmung des Probekörpers hat dabei einen erheblichen Einfluss auf diese Entwicklung. So konnte bei einem Versuchsaufbau ohne Dämmung erst ab 270° C Umgebungstemperatur ein Glimmbrand im Inneren von Holzproben eingeleitet werden. Dieses Phänomen stellt ein bauweisenimmanentes Risiko dar, wobei sich erschwerend auswirkt, dass von aussen kaum erkennbar ist, ob sich das unter der Beplankung befindliche brennbare Tragwerk entzündet hat. Die Holzelemente können glimmend abbrennen, was dann in weiterer Folge zu einem Versagen der Konstruktion führen kann. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass das gewählte 300°-C-Kriterium offenbar sehr empfindlich von dem konstruktiven Aufbau, der Aufheizgeschwindigkeit und der Branddauer abhängt, wobei der Wärmestau innerhalb der Konstruktion zu berücksichtigen ist. Es ist deshalb erforderlich, jede einzelne Konstruktion separat im Brandofen zu prüfen, um das Nachglimmen an der Tragkonstruktion sicher beurteilen zu können. Das 300°-C-Kriterium enthält nach den vorliegenden Ergebnissen keinerlei Sicherheitsreserven.

Nur zweilagige Beplankungen tragender Holzkonstruktionen, praxisgerechte Ausführung und eine brandschutztechnisch wirksame Kombination der Werkstoffe sind geeignet, um die Anforderungen an den Brandschutz zu erfüllen. Eine solche Kombination von Werkstoffen stellt z. B. die bei Brandversuchen in Deutschland [18] getestete Bekleidung aus einer brandseitig liegenden, 20 mm starken, speziellen Gipskarton- Feuerschutzplatte in Kombination mit einer 15 mm starken, speziellen Gipsfaserplatte dar. Das in der Feuerschutzplatte enthaltene Glasvlies verhindert eine frühzeitige Rissbildung, und somit kann während der gesamten Brandbeanspruchungsdauer keine Entzündung der brennbaren Tragkonstruktion stattfinden. Diese beiden genannten Plattentypen weisen zudem ein ähnliches Dehnungsverhalten auf, um die Rissbildung nicht zusätzlich zu verstärken. Nach dem Entwurf der deutschen «Muster-Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen von Gebäuden der Gebäudeklasse 4 in Holzbauweise» [25] müssen die Konstruktionshohlräume des weiteren mit nichtbrennbarem Dämmaterial (Schmelzpunkt > 1000° C) vollständig ausgefüllt werden.

In Österreich sind derartige Lösungen nicht vorgeschrieben, weil es keine Holzbaurichtlinie gibt, d. h., es zählt nur das Ergebnis der Brandprüfung einzelner Bauelemente, die Anschlüsse und Fugen zu anderen Elementen werden im allgemeinen nicht geprüft. Es muss davon ausgegangen werden, dass derartige Konstruktionen (selbst wenn sie nicht verbrannt sind) nach einem Brandfall nicht mehr tragfähig sind. In der Massivbauweise kann ein Wandbauteil auch in Verbindung mit angrenzenden Wandbauteilen im Gegensatz dazu grundsätzlich sehr viel länger dem Feuer Widerstand leisten, d. h., die Konstruktion ist auch nach einem Wohnungsbrand praktisch noch voll tragfähig.

3.3 Deckenbauteile in Massivbauweise
Aus statischen Gründen sind grundsätzlich bei fast allen Gebäuden in Massivbauweise zusätzliche Tragreserven der Geschossdecken vorhanden. Dies ist unter anderem dadurch zu erklären, dass im Gegensatz zu den statischen Annahmen die Querbewehrung im Brandfall mitträgt und ausserdem die brandschutztechnisch massgeblichen Stützweiten infolge der Randeinspannung kleiner sind als die statischen (rechnerischen) Stützweiten. In der Praxis kommt es im Brandfall daher auch zu Umlagerungen in der Lastverteilung, sodass sich die Feuerwiderstandsdauer der Bauteile mehr als verdoppeln kann. Bei Geschossdecken in Massivbauweisen erfolgen die Lastabtragungen darüber hinaus meist linienförmig und zweibzw. vierseitig, d. h., ein Einsturz der Gesamtkonstruktion kann aufgrund der mehrseitigen Auflagerung ausgeschlossen werden.

Die Durchwärmungsgeschwindigkeit bei den heute im Wohnbau üblicherweise verwendeten Stahlbetondecken oder Ziegeldecken ist unter Brandeinwirkung relativ gering, d. h., Zerstörungen treten erst nach einer längeren Zeitspanne und zuerst in den äusseren Schichten auf. Dabei wirkt sich der Innenwandverputz des Deckenbauteils positiv auf die Durchwärmungsgeschwindigkeit des Stahlbetons aus. Versuchserfahrungen haben gezeigt, dass ausreichend haftende Putzverkleidungen in Verbindung mit Stahlbetonbauteilen die Feuerwiderstandsdauer einer Stahlbetonplatte je nach Putzzusammensetzung bis zu 600% vergrössern können [21].

Die Ergebnisse der Naturbrandversuche in Lehrte [15] haben in bezug auf das Zusammenwirken der Decken- und der Wandbauteile gezeigt, dass sich aufgrund der Dehnungen von Stahlbetondecken geringfügige Verschiebungen im darüber und darunter stehenden Mauerwerk ergeben können. Es wurde jedoch weder bei einer Brandbelastung der Stahlbetondecken nach der Einheitstemperaturkurve (ETK) von über 120 Minuten Dauer noch durch einen Realbrand mit der sehr hoch angesetzten mobilen Brandlast von 90 kg Holz/m2 (die mittleren mobilen Brandlasten im Wohnbau liegen zwischen 240 und 260 kWh/m2, d. h. im Mittel bei etwa 52 kg Holz/m2) ein Tragfähigkeitsverlust der Decke festgestellt. Des weiteren blieb die raumabschliessende Funktion in allen Fällen gänzlich erhalten, d. h., im derzeitig üblichen massiven Geschosswohnbau ist aufgrund der ausreichenden Sicherheit der Gesamtkonstruktion kein Versagen im Brandfall zu erwarten.

Anhand des folgenden Fallbeispiels kann der Unterschied zwischen Massiv- und Holzbauweise besonders anschaulich dargestellt werden. Bei dem untersuchten Objekt handelt es sich um ein Einfamilienhaus in Massivbauweise, wobei die massiv ausgebildeten Deckenbauteile im Wohnbereich nachträglich mit einer Holzverkleidung versehen wurden. Die Abb. 15 und 16 zeigen die Auswirkungen eines Zimmerbrandes auf das Tragverhalten der Wände und Decken.
Anhand des Schadenbildes lässt sich erkennen, dass sich die Holzverkleidung im Brandverlauf entzündete und mit zunehmender Brandintensität und -dauer grösstenteils abfiel. Die darunter liegende massive Ziegeldecke blieb hingegen so gut wie unversehrt und verlor ihre Tragfähigkeit nicht.Wenn unter der dekorativen Verkleidung eine brennbare Tragkonstruktion angebracht gewesen wäre, hätte ein derartiger Zimmerbrand vermutlich den Einsturz der Deckenkonstruktion herbeigeführt, sodass das darüber liegende Geschoss vom Brand erfasst worden wäre.

Abb. 15: Schadenbild eines Zimmerbrandes in einem Massivbau mit nachträglich angebrachter dekorativer
Holzverkleidung [14]

Abb. 16: Detailaufnahme der massiv ausgeführten Decke nach dem Verbrennen und Abfallen der Holzverkleidung [14]

Tatsächlich blieb das Dachgeschoss vom Brand vollkommen unberührt. Die Abb. 17 zeigt Aussenansichten des Einfamilienhauses nach dem Zimmerbrand. Trotz des relativ heftigen Brandereignisses im Inneren des Gebäudes sind die wahrnehmbaren Zerstörungen im Aussenbereich mässig. Auswirkungen auf die Tragfähigkeit der Gesamtkonstruktion sind nicht zu verzeichnen.

Abb. 17: Aussenansichten des Brandobjektes nach dem Zimmerbrand

3.4 Deckenbauteile in Holzbauweise
Im Holzwohnbau werden heutzutage meist massive Holzbauweisen in Form von Brettstapeldecken eingesetzt. Aus brandschutztechnischer Sicht ist dieses System eher von Nachteil, weil die verleimten Holzbauteile im Feuer auseinanderreissen und eine Feuerausbreitung in der Konstruktion ermöglichen, d. h., Brettstapeldecken führen prinzipiell zu einer Erhöhung der Brandlast aus der Konstruktion selbst und verhalten sich im Brandfall wie Vollholz. Dieser Umstand erschwert auch das Ablöschen des Brandes (Glutnester).

Die Tragkonstruktion einer Brettstapeldecke besteht aus Vollholzplatten, die als Brettstapel ausgeführt sind. Meist wird die Unterseite sichtbar gelassen und an der Oberseite mit einem entsprechenden Deckenaufbau versehen, um den bauphysikalischen Anforderungen zu genügen. Die kostengünstigste Dekkenvariante ergibt sich, wenn die Brettstapeldecken auch auf der Oberseite sichtbar belassen und nach der Montage abgeschliffen und versiegelt werden. In die einzelnen Bretter kann beim Hobeln noch ein zusätzliches Profil eingefräst werden, so dass die Eigenschaften einer Akustikdecke erreicht werden. Durch die Profilierung der Untersicht, welche eine Vergrösserung der Oberfläche und somit einen grösseren Beitrag zum Brand und eine raschere Brandausbreitung mit sich bringt, verschlechtern sich die brandschutztechnischen Eigenschaften des Bauteils noch zusätzlich. Vorrangig ist hierbei die erhöhte CO-Produktion im Brandfall zu erwähnen. Detaillierte Ausführungenüber die Auswirkungen von brennbaren Holzbauteilen auf die CO-Konzentration in den Rauchgasen sind dem Abschnitt 2 zu entnehmen.

Während Geschossdecken in Massivbauweise aus statischen Gründen bei fast allen Gebäuden zusätzliche Tragreserven beinhalten, d. h., dass ein Brand in der Regel kein Versagen der Konstruktion zur Folge hat, kann eine Decke in Holzbauweise nur unter Einhaltung einer Reihe spezieller Anforderungen, wie z. B. durch eine zweilagige Brandschutzbekleidung und die brandgeschützte Verschraubung der Deckenbalken mit den Holzstehern, die geforderte Brandwiderstandsdauer erreichen. Ein Deckenbauteil in Holzbauweise beinhaltet üblicherweise keinerlei Tragreserven, d. h., es ist davon auszugehen, dass sie im Höchstfall maximal die vorgegebene Klassifikation erfüllt. Da bei Wohnungsbränden bei Vernachlässigung von Löschmassnahmen durchweg Brandwirkungen von über 30 Minuten Branddauer auftreten, hat eine auf brandhemmend (F30) bemessene Decke praktisch keine Chance, die Brandweiterleitung zu verhindern. Bei Holzbauweisen kann im Falle eines nicht rechtzeitig gelöschten Brandes somit nicht davon ausgegangen werden, dass der Raumabschluss über einen längeren Zeitraum (z. B. > 30 Minuten) erhalten bleibt sowie wesentliche Teile des Tragwerks bzw. das gesamte Tragwerk tragfähig und standsicher bleiben, weil die Elemente selbst bzw. deren Verbindungen und eventuell auch Anschlüsse zwischen den Elementen und den Wandbauteilen versagen. Im Vergleich dazu ist festzustellen, dass Einzelbauteile und deren Verbindungen und Anschlüsse in der praktisch monolithischen Massivbauweise, bezogen auf den Wohnbau, ohne zusätzliche Massnahmen praktisch immer ausreichend feuerwiderstandsfähig ausgebildet werden, um auch die an ein Gesamtsystem zu stellenden Brandschutzanforderungen zu erfüllen (siehe [12] und [13]).

Die nachfolgenden Abb. 18 und 19 zeigen Anschlussvarianten von Decken an Wände in Holzbauweise, wie sie in Deutschland gemäss Muster-Holzbaurichtlinie und in Österreich nach PROHOLZ vorgeschlagen und auch ausgeführt werden.

Abb. 18: Anschluss eines Deckenbauteils an eine durchlaufende, raumabschliessende Wand nach [25]

Abb. 19: Anschluss eines Deckenbauteils an eine raumabschliessende Wand nach [24]

Im deutschen Entwurf «Muster-Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen an Bauteile von Gebäuden der Gebäudeklasse 4 in Holzbauweise» [25] wird gefordert, dass die Brandschutzbekleidungen im Anschlussbereich von Decken- an Wandbauteilen so auszuführen sind, dass keine durchgehenden Fugen entstehen. Ausserdem ist auf eine Ausbildung der Anschlüsse zu achten, die geeignet ist, das Aufreissen der Brandschutzbekleidung aufgrund von Verformungen im Brandfall zu verhindern. Dazu sind die tragenden Holzelemente im

Anschlussbereich mit Schrauben im Bereich der Balken sowie in der Mitte durch Verblockung zu verbinden. Der Abstand der Verbindungsmittel darf maximal 500 mm betragen, wobei die Einschraubtiefe zur Herstellung einer zugfesten Verbindung≥ 12 dn sein muss [19].

Die Abb. 18 zeigt eine aus brandschutztechnischer Sicht korrekte Ausbildung eines Anschlusses der Decke an eine durchlaufende Wand gemäss der Holzbaurichtlinie, nach der eine Entzündung von tragenden und aussteifenden Teilen des Dekkenbauteils, unentdeckte Brandherde, ein Nachbrennen der Konstruktion mit der Gefahr des verzögerten Tragfähigkeitsverlustes oder die Brandweiterleitung in benachbarte Nutzungseinheiten verhindert werden. Auf zerstörende Glimmphänomene durch exotherme Holzzersetzungen, welche bereits bei T < 300° C nachweisbar sind, wurde bereits in Abschnitt 3.2 hingewiesen.

Vergleichbare Forderungen an Holzkonstruktion gemäss diesen in Deutschland gestellten Anforderungen [25] fehlen in Österreich völlig. Die Abb. 19 zeigt eine in der Informationsmappe «Mehrgeschossiger Holzbau in Österreich» [24] vorgeschlagene Lösung für den Bauteilanschluss einer Decke an die Wand. Diese Mappe dient als Leitfaden für österreichische Architekten, Bauherren und Bauträger, d. h., es wird nach diesen Detaillösungen (mehrgeschossig) gebaut.

Die Abb. 19 zeigt die derzeitigen Defizite dieser Konstruktion auf. Die Brandschutzbekleidung weist durchgehende Fugen auf, d. h., es ist im Brandfall im Anschlussbereich des Deckenbauteils an das Wandbauteil mit einer Brandeinleitung in die Konstruktion zu rechnen. Des weiteren ist keine Verschraubung bzw. Verblockung der tragenden Holzelemente vorgeschrieben. Solange ähnliche Forderungen, wie sie in Deutschland erhoben werden, in Österreich nicht verpflichtend sind, wird die Verschraubung der Elemente alleine aus Kostengründen vermutlich nicht durchgeführt werden. Somit kann im Brandfall nicht verhindert werden, dass das Feuer infolge von Verformungen und Verschiebungen der Holztragelemente durch aufreissende Fugen in die Konstruktion eindringt, diese entzündet und somit in weiterer Folge einen Einsturz wesentlicher Teile der Gesamtkonstruktion verursacht.

Der mögliche Einsturz der Gesamtkonstruktion wird in der Holzbauweise durch die punktförmige Einleitung der Lasten
aus der Geschossdecke über die tragenden, vertikalen Holzsteher in die Wandkonstruktion noch begünstigt, da bereits das Versagen eines einzelnen Holzstehers bzw. eines einzigen Verbindungselements zwischen dem tragenden Deckensystem und dem Holzsteher das Versagen wesentlicher Teile der Gesamtkonstruktion zur Folge haben kann. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn es sich bei diesem Knotenpunkt um einen wesentlichen und kritischen Bestandteil der Holzkonstruktion in bezug auf die Tragfähigkeit des Gesamtverbandes handelt.

Die enormen Tragreserven des Massivbaues, die weit über die bauaufsichtlichen Anforderungen hinausgehen und welche in der Vergangenheit zu dem hohen Sicherheitsniveau im Wohnungsbau geführt haben, sind bei den zukünftig zu erwartenden mehrgeschossigen Holzbauten (stillschweigend) verschwunden. Der Architekt und auch der Nutzer merken dies naturgemäss nicht, weil es «selten» brennt und der Planer im allgemeinen nur geringe brandschutztechnische Kenntnisse hat.

Bei der Planung und dem Einbau von Tragelementen aus Holzwerkstoffen ist darüber hinaus besonders auf die fachgemässe Planung und den entsprechenden Einbauzustand zu achten. Dass davon nicht allgemein auszugehen ist, zeigt die nachstehende Abb. 20, welche eine exakte Analyse der Fehlerquellen bei der Trockenbauweise nach [29] zeigt. Das Diagramm verdeutlicht, dass es sich bei den Mängeln in 60 % der Fälle um Planungsfehler, in 30 % um Ausführungsfehler und in 10 % um Produktfehler handelt.

Abb. 20: Fehlerquellen bei der Trockenbauweise nach [29]

Der mit 60 % extrem grosse Anteil an Planungsfehlern liegt in der Regel im Verantwortungsbereich des Architekten, d. h., es fehlt in der Architekturszene nach wie vor eine Bewusstseinsbildung bezüglich der bauweisenspezifischen Risiken und Gefahrenpotentiale in der Holzbauweise. Angesichts der fehlenden Brandschutzausbildung an fast allen Architekturfakultäten in Deutschland und Österreich ist dieses nicht weiter verwunderlich. Des weiteren zeigen diese Untersuchungen deutlich, dass die fachgerechte Ausführung nicht vorausgesetzt werden kann, denn die durch Ausführungsfehler verursachten Mängel liegen in einer Grössenordnung von 30 %. Verhältnismässig gering liegen im Vergleich zu den beiden genannten Fehlerquellen die Produktfehler mit einem Anteil von 10 %.

3.5 Verbindungen, Anschlüsse und Fugen in der Massivbauweise

Grundsätzlich gilt für alle Gebäude, dass die tragenden und die nichttragenden Bauteile, einschliesslich Anschlüssen, Auflagern, Aussteifungen, Fugen usw., die gleiche Feuerwiderstandsdauer aufweisen müssen. Diese ganz allgemeine Anforderung ergibt sich nicht nur aus der Logik der MBO, sondern auch aus den Prüfbedingungen nach DIN 4102-2 und -3. Somit sind auch bei Gebäuden in Massivbauweise hinsichtlich der Anschluss- und Fugenproblematik diesbezüglich gewisse Regeln und Vorschriften zu beachten. Die Detailausführungen bei monolithischen Bauweisen sind in bezug auf das Brandverhalten allerdings weit weniger kritisch zu beurteilen als bei der Holzbauweise und darüber hinaus relativ problemlos herstellbar. So werden z. B. im Wohnbau die Deckenbauteile oft als Stahlbetonfertigteile oder vor Ort betoniert ausgeführt, bei denen aufgrund des hohen Eigengewichtes der Stahlbetonplatten grundsätzlich nur mit minimalen und aus der Sicht des Brandschutzes risikolosen Fugen zu rechnen ist.

Abb. 21: Möglichkeit eines Anschlusses der Stahlbetondecke an eine zweischalige massive Aussenwand aus Ziegelmauerwerk nach [16]

Die Ableitung der Lasten der Geschossdecken in das tragende Mauerwerk erfolgt grundsätzlich linienförmig sowie zwei- oder vierseitig. Die Abb. 21 zeigt eine praxisübliche Ausbildung eines Deckenanschlusses an eine zweischalige massive Aussenwand. Dabei werden die Lasten aus der plattenförmigen Stahlbetongeschossdecke linienförmig in die tragende Schale des Mauerwerkes abgetragen. Die als Ausgleichsschicht verwendete Bitumenpappe ist brandschutztechnisch absolut unbedenklich, so dass im Brandfall der Raumabschluss in diesem Bereich mit Sicherheit erhalten bleibt.

Die Anschlusspunkte werden aufgrund dieser durchgehenden Ausführung der Auflagerung im Brandfall nicht versagen. Eine partielle Zerstörung des Fugenmörtels kann infolge von Spannungsverlagerungen zwar im schlimmsten Fall zu einer langsamen Verformung einer Wand führen, aber ein Einsturz der Deckenkonstruktion kann aufgrund der mehrseitigen Auflagerung ausgeschlossen werden.

Abb. 22: Vergleich der tatsächlich erreichten Feuerwiderstandsdauer verschiedener Bauteile mit der geforderten
Feuerwiderstandsklasse F 30 (zukünftig REI 30 nach [27]) bei 36 unterschiedlichen Gebäudetypen nach [20]

3.6 Verbindungen, Anschlüsse und Fugen in der Holzbauweise
Bei der Holzbauweise verhalten sich Verbindungen und Anschlüsse bezüglich ihrer Feuerwiderstandsdauer im Vergleich zu den Bauteilkonstruktionen, d. h. zu Innen- und Aussenwänden, Stützen, Balken und Decken, am kritischsten. Die Abb. 22 zeigt den Einfluss der Detailausführung der Anschluss- und Verbindungsbereiche auf die Gesamtkonstruktion nach [20]. In der dargestellten Untersuchung wurde das Brandverhalten von 36 verschiedenen Gebäudetypen analysiert, die zum Grossteil der Holztafelbauweise zuzuordnen sind.

Anhand der Abbildung ist ersichtlich, dass die Feuerwiderstandsdauern verschiedener Bauteile bei diesen Untersuchungen im Schnitt zwischen 28 und 48 Minuten (Mittelwert 38 Minuten) lag, während bei Verbindungen und Anschlüssen bereits zwischen der 28. und 36. Minute (Mittelwert 32 Minuten) das Versagen eintrat, d. h., die Gesamtkonstruktion kann die Qualifikation F 30 (zukünftig REI 30 nach [27]) in vielen Fällen nicht erreichen, weil die Verbindungen oder Anschlüsse vorher versagen. Die Problematik der metallischen Verbindungsmittel liegt darin, dass sie unter Brandeinwirkung «weich» werden und ihre Festigkeit verlieren. Im ungünstigsten Fall tritt das sofortige und plötzliche Versagen der Gesamtkonstruktion ein.

Des weiteren führt eine Erwärmung der metallischen Verbindungsmittel zur Weiterleitung der hohen Temperaturen in das Innere des Holzquerschnittes. Daraus resultiert das Herausbrennen von metallischen Verbindungsmitteln sowie der Verlust der Zugkraft der Verbindung, was möglicherweise ein Versagen der Gesamtkonstruktion zur Folge hat. Das Versagen von Holzverbindungen mit stabförmigen Verbindungsmitteln wurde erst kürzlich im Rahmen einer Dissertation an der TU Berlin untersucht [35]. Als massgebende Einflüsse auf die im Brandfall auftretende Tragfähigkeitsreduzierung gegenüber der Tragfähigkeit einer Verbindung bei Normaltemperatur wurden neben der Branddauer, die Seitenholzdicken sowie die Stabdübellängen und Stabdübeldurchmesser festgestellt. Die folgende Abb. 23 zeigt auszugsweise ein Ergebnis nach [35].

Abb. 23: Vergleich der berechneten Gesamttragfähigkeit  Rk, fi einer zweischnittigen Holz- Holz-Verbindung mit einem
Bolzendurchmesser d = 12 mm mit französischen Versuchsergebnissen nach der Einheitstemperaturkurve (ETK)

Aus der Abb. 23 geht hervor, dass der Stabdübel in den Brandversuchen bereits nach 13 Minuten Branddauer (Belastung 91,5 kN) bzw. 22 Minuten Branddauer (Belastung 39 kN) versagt hat. Die rechnerischen Untersuchungen haben ergeben,dass die 5-%-Fraktile der Tragfähigkeit noch deutlich unter den Messwerten liegt und ab 30 Minuten Branddauer die Tragfähigkeit sowohl für die 5-%-Fraktile als auch für eine 20-%- Fraktile praktisch null ist. Für einen Stabdübel mit d = 20 mm wurden in [35] vergleichbare Ergebnisse gefunden, d. h., auch hier ist die Tragfähigkeit nach 30 Minuten erschöpft.

In Australien wurde bereits 1979 eine Testserie zur Überprüfung der Feuerwiderstandsdauer von verschiedenen Verbindungsmitteln aus Metall durchgeführt [30]. Die Abb. 24 zeigt die drei durch genagelte bzw. geschraubte Zuglaschen verbundenen Holzstäbe, die Brandversuchen mit unterschiedlichem Temperaturmaxima ausgesetzt waren.

Abb. 24: Genagelte und geschraubte Zuglaschen nach [24]

Abb. 25: Verhalten der Zuglaschen bei Belastung nach der Einheitstemperaturkurve (ETK) nach [24]

Die Abb. 25 zeigt das Verhalten der verschiedenen Zuglaschen unter Brandbelastung nach der Einheitstemperaturkurve (ETK). Die Versuchsergebnisse belegen, dass die Nagelplattenverbindung durch die rasche Erhitzung des Stahls nach 5 Minuten versagt. Das geschraubte Stahlblech hält der Brandbeanspruchung etwa 17 Minuten, das genagelte Stahlblech ca. 38 Minuten lang stand. Die Tatsache, dass die Nagelplatte bereits nach 5 Minuten versagt, ist hier als besonders negatives Versuchsergebnis hervorzuheben, weil solche Nagelplatten in Holzverbindungen eine übliche und generell auch gut geeignete Verbindungsart darstellen.

Abb. 26: Ingenieurmässiges Verbindungsmittel in Form eines Balkenschuhs vor und nach dem Versagen [20]

Die Abb. 26 untermauert die allgemeine Erkenntnis, dass metallische Verbindungsmittel unter Brandbeanspruchung «weich» werden und so ein Versagen der Gesamtkonstruktion zur Folge haben können. Die Fotos zeigen jeweils einen Balkenschuh zur Verbindung des Trägers mit der Stütze. Das linke Foto wurde dabei kurz vor dem Versagen aufgenommen, und das rechte Foto zeigt den infolge der Temperaturbeanspruchung aufgerissenen Balkenschuh. Durch die Verformung des Stahlteils rutscht der Träger aus dem Balkenschuh, und das gesamte Tragsystem versagt,
obwohl die Holzquerschnitte erst vergleichsweise geringe Verkohlungstiefen zeigen, d. h., die in Diskussionen über die
Brandsicherheit von Holzbauten häufig hervorgehobene und zweifellos auch vorhandene «Schutzwirkung» der Holzkohle (im Sinne eines Isolationsschutzes an der Holzoberfläche) trägt nicht wesentlich dazu bei, die gut wärmeleitenden Stahlverbindungen vor dem «Erweichen» zu schützen.

Stahlverbindungsmittel können nur dann einen hohen Feuerwiderstand erreichen, wenn sie zusätzlich vor dem Feuer geschützt werden. Wenn dies nicht gewährleistet ist, wird die Wärme über die Verbindungsmittel rasch in das Bauteilinnere geleitet. Dies führt dazu, dass Nägel «weich» werden und die Festigkeit verlieren oder kraftübertragende Bolzen oder Dübel rasch hohe Temperaturen erreichen und versagen. Beispiele dazu sind in [20] zu finden.

Ein Bericht der United States Fire Administration aus dem Jahr 1992 untermauert die aufgezeigte Problematik der Verbindungen bei Holzbaukonstruktionen. Das nachfolgende Fallbeispiel bezieht sich allerdings nicht auf einen Wohnbau, sondern auf eine Kirche. Es zeigt eindrucksvoll, wie die Zerstörung einer einzelnen Holzverbindung im Brand zum schlagartigen Versagen eines zusammenwirkenden Holztragsystems und Einsturz der Gesamtkonstruktion führen kann. Es handelt sich dabei um das plötzliche Versagen der Dachkonstruktion einer Kirche in Memphis, Tennessee, durch das zwei Feuerwehrmänner im Einsatz ums Leben kamen [26].

Die Kirche wurde nach den geltenden amerikanischen Normen errichtet und als ein einziger Brandabschnitt ausgebildet. Die Wände des Gebäudes waren innenseitig mit einer Holzbekleidung versehen, die am Anschlusspunkt zur Decke einen folgenschweren Beitrag zur weiteren Brandausbreitung lieferte. Das Dachtragwerk bzw. die Kirchendecke war unterseitig mit Gipskartonplatten beplankt (siehe Abb. 27).

Abb. 27: Schnitt durch das Fachwerk vor und nach dem Versagen nach [26]

Die Abb. 27 zeigt einen Schnitt durch den Fachwerksbinder sowie ein Detail des Knotenpunktes der Obergurte und der Hängesäule. Die obere Verbindung der Dachsparren stellt grundsätzlich in jedem Dachtragwerk den kritischen Punkt dar, weil das Versagen dieses Knotenpunktes in jedem Fall das Versagen des gesamten Tragwerkes zur Folge hat.

Der Brandherd lag in einem Nebenraum, wo sich das Feuer nach Eintritt des Flash-overs, vorerst unbemerkt, über die Fugen im Anschlussbereich der Gipskartonverkleidung des Fachwerkbinders an der Aussenwand in den Dachraum der Kirche fortsetzen konnte. Der Brand der Dachkonstruktion wurde erst durch herabfallende Teile der Gipskartonbeplankung festgestellt, worauf die Feuerwehrleute begannen, sich vom Brandobjekt zurückzuziehen. Das Dach versagte allerdings derart rasch, dass 2 Feuerwehrmänner unter den brennenden Teilen eingeschlossen wurden und kurze Zeit später den Folgen ihrer Verbrennungen erlagen. Das plötzliche Versagen des Fachwerkbinders konnte nach einer Analyse der USFA in diesem Fall einzig und allein dem Versagen der Nagelplatte im Firstbereich zugeschrieben werden [26]. Anhand dieses Vorfalls ist erkennbar, dass ein Fachwerkbinder mit Hängesäulen seine Tragfähigkeit im Brandfall eventuell nur sehr kurz aufrechterhalten und in der Folge ohne jegliche Vorwarnung versagen kann.

3.7 Fassaden in Massivbauweise
Aus der Sicht des Brandschutzes stellt die Fassade eines Gebäudes immer dann ein Problem dar, wenn diese einen
nennenswerten Beitrag zur Brandlast liefert bzw. wenn diese zur Brandweiterleitung beitägt. Fassaden in Massivbauweise sind daher grundsätzlich unbedenklich. Dabei ist es nicht relevant, ob es sich um eine ein- oder zweischalige Wandkonstruktion handelt. Sowohl die Mauerziegel als auch der Aussenputz liefern keinen Beitrag zur Brandlast und tragen nicht zur Brandweiterleitung über die Fassade bei. Ein besonderes Gefahrenpotential bildet eine brennbare Fassadenverkleidung, sobald sie im Brandfall an der Fassade verbleibt und nicht abfällt. Hierbei ist neben der Befestigung der Verkleidung vor allem auch die Geometrie des Gebäudes relevant. Die Brandvorgänge an der Fassade hängen in der Regel unmittelbar von der Entwicklung des Brandes im Gebäudeinneren ab. Die höchsten Wärmestromdichten vor der Fassade treten im Fall von aus den Fensteröffnungen herausschlagenden Flammen etwas oberhalb des Fenstersturzes auf und sind somit für die Tragfähigkeit des Sturzes und die Brandweiterleitung zum nächsten Geschoss von grosser Bedeutung. Die Abb. 28 zeigt die im Heissgasstrom auftretenden Temperaturen vor der Fassade anhand von drei unterschiedlichen Versuchsanordnungen bei Realbrandversuchen in Lehrte [15].

Abb. 28: Isothermenbild des Temperaturfeldes vor der Fassade nach [15]

Die in der Abb. 28 dargestellten drei Isothermenbilder zeigen, dass das Temperaturfeld eine Achse hat, welche ab einer gewissen Entfernung zum Sturz etwa parallel zur Aussenwand verläuft. Massgebend für die Ausdehnung des Heissgasstromes vor der Fassade ist die Horizontalgeschwindigkeit, mit der die Rauchgase die Brandraumöffnung verlassen. Diese bestimmt die Länge der horizontalen Strecke, nach deren Durchlaufen die Rauchgase infolge des Auftriebs in eine vertikale Bahn umgelenkt werden. Die Höhe des Feuerplumes vor der Fassade wird durch die Brandleistung im Brandraum und die Brandleistung der Verbrennung vor der Fassade bestimmt.

Anhand der Abb. 28 ist ersichtlich, dass ohne Wind vom Innenraum nach aussen in etwa 1,5m horizontaler und 3,0m vertikaler Entfernung von der Fenstersturzunterkante eine Temperatur von 200° C gemessen werden konnte. Bei einer Windgeschwindigkeit von 2m/s stieg die horizontale Entfernung auf ca. 2m und der vertikale Weg auf etwa 4m an. Die Temperatur von 200° C wurde bei einer Geschwindigkeit von 4 m/s schliesslich in ungefähr 3,0m horizontalem und 5,0m vertikalem Abstand von der Fenstersturzunterkante gemessen. Mit zunehmendem Abstand von der Brandraumöffnung kühlen die Heissgase sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung rasch ab, wobei die Gase in vertikaler Richtung einen etwa doppelt so langen Weg benötigen, um auf die gleiche Temperatur zu kommen wie bei einer horizontalen Abkühlung.

Massivwohnbauten werden heute aus Gründen des Wärmeschutzes u. a. als einschaliges Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystemen ausgeführt. Dabei kommen in der Regel Wärmedämmplatten aus schwerentflammbarem Polystyrol- Hartschaum (Baustoffklasse B1) zum Einsatz, die fassadenseitig auf die massive Wandkonstruktion aufgebracht werden. Diese Wärmedämmplatten erweichen bei einer Temperatur von
etwa 110° C, schrumpfen und schmelzen in weiterer Folge bei einer Temperatur von ca. 200° C. Anhand der gezeigten
Darstellung der Isothermenbilder des Temperaturfeldes an der Fassade (siehe Abb. 28) ist erkennbar, wie weit sich das Temperaturfeld von 200° C entlang der Fassade in vertikaler Richtung ausbreitet. Die Gefährlichkeit dieser Reaktion ist in Summe stark von den jeweiligen Randbedingungen wie z. B. der Gebäudegeometrie, den Brandlasten, der Brandschutzausrüstung des Polystyrols usw. abhängig. Wärmedämm-Verbundsysteme sind unter anderem aus diesem Grunde zulassungspflichtige Bauprodukte.

Die Brandbelastung eines 10 cm dicken PS-Wärmedämm- Verbundsystems ergibt sich zu:
q = dPS ·  PS · HuPS = 0,1 · 30,0 · 11,1 = 33,3 [kWh/m2]

Darin sind :
q Brandbelastung in [kWh/m2]
dPS Dicke des PS-Wärmedämm-Verbundsystems in [m]
 PS Dichte für Polystyrol in [kg/m3]
HuPS Heizwert für Polystyrol in [kWh/kg]

Dieser Wert von 33,3 kWh/m2 entspricht gemäss nachfolgender Berechnung einer 12 mm dicken Holzbekleidung aus Lärchenholz ohne Einrechnung des zur Befestigung erforderlichen Lattengerüsts.

dH = q/( H · HuH) = 33,3/(590 · 4,8) = 0,012 [m]

Für Holzfassaden werden üblicherweise Bekleidungsdicken von 18 bis 28 mm eingesetzt, d. h., derartige Fassaden (normalentflammbar, Baustoffklasse B2) haben ein deutlich höheres Brandpotential als WDVS und nehmen aufgrund ihrer guten Brennbarkeit einen weitaus grösseren Einfluss auf den Brandverlauf als schwerentflammbare WDVS (Baustoffklasse B1).

3.8 Fassaden in Holzbauweise
Die Fassade eines Gebäudes in Holzbauweise stellt im mehrgeschossigen Holzwohnbau, aufgrund der Erhöhung der konstruktiven Brandlast, des direkten Feuerangriffs auf die darüber angeordnete Tragkonstruktion und der Brandweiterleitungüber die Fassade, ein grosses Gefahrenpotential dar. Eine besondere Problematik bildet die Flammenausbreitung über den Luftraum von hinterlüfteten Fassaden, die sehr rasch erfolgen und die Entzündung der innenliegenden, tragenden Holzkonstruktion beschleunigen kann. In diesem Zusammenhang ist weiters zu beachten, dass die tragbaren und fahrbaren Feuerwehrleitern im Geschossbau bis zur Hochhausgrenze üblicherweise
den zweiten Rettungsweg sicherstellen sollen. Wenn also ein mehrgeschossiges Gebäude mit einer normalentflammbaren Fassade errichtet wird, welche in ihrer Höhe über die nach Baurecht bisher üblichen zwei Geschosse hinausgeht, dann entfällt eventuell dieser zweite Rettungsweg, d. h., es müsste über Ersatzmassnahmen nachgedacht werden. In der Wiener Bauordnung ist diesbezüglich eine generelle Forderung enthalten, dass ein zweiter baulicher Rettungsweg verlangt werden kann, wenn dieser aufgrund der vorliegenden Bauweise bzw. Bauausführung nicht anderweitig sichergestellt werden kann.

Die hohen Temperaturen, die vor allem nach einem Flash-over bei Raumbränden auftreten, führen auch sehr rasch zum Versagen von Verglasungen. Das Anordnen von auskragenden Balkonen aus nichtbrennbaren Baustoffen bzw. die Ausbildung einer brandschutztechnisch geschützten Traufkante kann die Brandweiterleitung über die Fassade und in weiterer Folge zum Dach des Gebäudes zwar nicht verhindern, aber zumindest verzögern und somit die Personensicherheit erhöhen. Dabei ist allerdings die auf den Balkonen eventuell gelagerte Brandlast von grosser Bedeutung. Prinzipiell können nur massive Balkonplatten über dem Brandraum ohne darauf gelagerte Brandlast einen Feuerübersprung auf das über dem Brandraum liegende Geschoss zeitlich verzögern. Es ist jedoch grundsätzlich davon auszugehen, dass in der Praxis sowohl immobile Brandlasten, z. B. in Form von Geländern, als auch mobile Brandlasten, d. h. Möbel, Wäscheständer usw. auf Balkonen vorzufinden sind. Somit ist eine Brandweiterleitung in die über dem Brandraum situierten Bereiche auch in diesen Fällen nicht prinzipiell auszuschliessen.

Eine verzögernde Wirkung auf die Brandweiterleitung über die Fassade wird ausschliesslich durch auskragende Balkone, nicht aber durch Loggien erreicht, die nur einseitig offen sind. Loggien sind zwar den Balkonen konstruktiv verwandt, sie liegen in der Regel jedoch innerhalb des Baukörpers und bieten somit durch die fehlende horizontale Barrierewirkung keinen Schutz gegen den raschen Feuerüberschlag. Der Brand der Wohnhausanlage«Boucle de Gilamont» in der Schweiz [22] hat u. a. gezeigt, dass Loggien grundsätzlich keine hemmende Wirkung auf die Brandweiterleitung haben. Bei dieser Anlage setzte sich der Brand über die fünfgeschossige Fassade binnen ca. 60 Sekunden ungehindert fort.

Abschliessend soll der Einfluss von brennbaren bzw. nichtbrennbaren Materialien auf die Brandentwicklung und -fortleitung im Fassadenbereich anhand eines Fallbeispiels qualitativ aufgezeigt werden. Die Abb. 29 zeigt den Brand eines Zweifamilienhauses in Vorarlberg. Bei dem Gebäude handelt es sich um einen Massivbau mit einem Anbau in Holzbauweise. Der Massivbau ist im angrenzenden Teil zum Holzbau mit einer Holzlattung verkleidet.

Abb. 29: Brand eines Zweifamilienhauses in Massivbauweise mit einem Anbau in Holzbauweise [17]

Die Abb. 29 zeigt deutlich das Verhalten der Konstruktionen im fortgeschrittenen Brandstadium. Während die gesamte Holzkonstruktion schon vom Feuer erfasst ist, brennt am Massivbau lediglich die holzverkleidete Fassade sowie das an den Holzbau angrenzende Dachgeschoss. Am übrigen Gebäudeteil brennen zu diesem Zeitpunkt nur die dekorativen Elemente aus Holz, d. h., die Fensterläden und die hölzernen Gesimse oberhalb der Fenster brannten, während der in Holz ausgeführte Gebäudeteil vom Feuer bereits völlig zerstört war.

Bedingt durch den starken Föhn wurde der Löschangriff der Feuerwehr deutlich erschwert, und so konnte nicht verhindert werden, dass das Feuer auch auf den Dachstuhl des Massivbauteilesübergriff und sich auf diesen ausbreitete. Das Dachgeschoss des massiven Gebäudeteils brannte in weiterer Folge zwar aus, der Massivbau blieb aber im Gegensatz zum Holzbau erhalten.

3.9 Öffnungen bei der Massivbauweise
Bei Massivbauten ist grundsätzlich die Anwesenheit zusätzlicher mobiler Brandlasten erforderlich, um eine Brandweiterleitung über Öffnungen zu ermöglichen.Weiterhin sind für die Ausbildung der Öffnungen keine komplizierten Detaillösungen erforderlich, um eine Brandeinleitung in die Konstruktion zu verhindern. In der Massivbauweise wird im wesentlichen der Wandverputz bis zum Türstock geführt. Diese Anschlussausbildung ist aus brandschutztechnischer Sicht ausreichend, da eine Entzündung der Tragkonstruktion keine bauweisenimmanente Problematik darstellt.

Ein Schwachpunkt im Geschossbau ist lediglich die Wohnungseingangstür, welche im Falle eines Brandes gegebenenfalls von den flüchtenden Bewohnern nicht verschlossen wird, sodass der angrenzende Treppenraum eventuell verraucht. Andere Bewohner müssen dann über die Feuerwehrleiter gerettet werden.

Dasselbe Prinzip gilt auch für die Ausbildung der Fensteröffnungen in der Massivbauweise. Der Putz endet beim Fensterstock, und die Fuge hinter dem Rahmen stellt somit keinen zusätzlichen Schwachpunkt dar. Problematisch wird in bezug auf die Fensteröffnungen das Erreichen sehr hoher Temperaturen, bei denen mit einem Zerspringen der Scheiben zu rechnen ist. Dieses ist beim Massivbau etwas weniger kritisch als beim Holzbau, weil die Brandintensität beim Ersteren etwas geringer ist. Allerdings hat das Herausschlagen der Flammen aus der Fensteröffnung im allgemeinen keine Auswirkungen im Hinblick auf die Brandweiterleitung über die nichtbrennbare Fassade.

Diese Feststellung wird durch den im Folgenden beschriebenen Brandversuch an einem Wohnobjekt eindrucksvoll bestätigt. Es handelt sich dabei um einen Realbrandversuch an einem Abrissobjekt in einer Wohnsiedlung in Wimpassing, Niederösterreich, der in Kooperation mit der Berufsfeuerwehr Wien, der Freiwilligen Feuerwehr Wimpassing und dem Institut für Baustofflehre,Bauphysik und Brandschutz der TU Wien im Jahre 2001 durchgeführt wurde.

Die Abb. 30 zeigt die Entwicklung des Brandgeschehens ausserhalb des Brandraumes, nachdem infolge der hohen Temperatureinwirkungen
die Fensterscheiben im Brandraum bereits geborsten sind. Auf der oberen Darstellung ist eindeutig zu erkennen, dass die Holzfensterrahmen bereits brennen und somit einen Beitrag zum Brandgeschehen und der Brandintensität leisten. Gleichzeitig sind an den die Öffnungen umschliessenden
Wänden, abgesehen von der Verrussung im Bereich des Flammenkranzes, keinerlei Auswirkungen auf das Wandbauteil v. a. in bezug auf die Tragfähigkeit der Gesamtkonstruktion auszumachen. Ebenso ist eindeutig erkennbar, dass trotz den mehrere Meter hohen Flammen keine Brandweiterleitung über die Fassade erfolgt.

Abb. 30: Brandentwicklung an den Öffnungen bei einem Zimmerbrand in einem Massivhaus

3.10 Öffnungen bei der Holzbauweise
Öffnungen für Fenster, Türen und sonstige Einbauten stellen aus der Sicht des Brandschutzes besondere Schwachpunkte in der Gesamtkonstruktion eines Holzbaus dar. Bei einem Holzbau können die aus Fenster- und Türöffnungen tretenden Flammen rasch über die Fassade weitergeleitet werden, während bei Bränden nahe der Öffnungen, wie im vorangegangen Abschnitt gezeigt wurde, bei einem normalen Massivbau mit Aussenputz zusätzliche mobile Brandlasten erforderlich sind, um eine Brandweiterleitung über die Fassade zu ermöglichen. Es ist jedoch zu beachten, dass auch dort ein Brandübertritt durch Fensteröffnungen theoretisch möglich ist, d. h., es sind entsprechende Feuerüberschlagswege durch nichtbrennbare Bauteile zu verhindern. Aus diesem Grund sollten brennbare Fassadenbaustoffe der Klasse B2 nur bei maximal zweigeschossigen Bauwerken zugelassen werden.

Eine im Brandfall offengebliebene Wohnungstür im Geschossbau hat gegenüber den in Abschnitt 3.9 bei Massivbauten dargestellten Schwachpunkten eventuell noch zusätzliche negative Auswirkungen. Zunächst ist nicht auszuschliessen, dass der gesamte Treppenraum zu brennen beginnt, wenn dieser vollständig aus B2-Baustoffen besteht. Der Treppenraum ist insoweit selbst dann nicht mehr nutzbar, wenn der Feuerwehr eine Entrauchung gelingt, d. h., die Rettung muss in diesem Fall ausschliesslich über die Fassade erfolgen. Es stellt sich hier somit die Frage, ob im Mehrgeschossbau eine Gleichzeitigkeit von brennbarer Fassade und Treppenraum in der Klasse B2 zulässig sein kann bzw. sollte. Unter Einbeziehung bisheriger Bauvorschriften, die in bezug auf Flucht und Rettung gelten, wäre die Frage zu verneinen, wenn der Personenschutz auf dem bisherigen Sicherheitsniveau beibehalten werden soll.

Abb. 31: Darstellung der Ausführung des Fugenversatzes bei Öffnungen mit Brandschutzbekleidung nach [25]

Zusätzlich stellen Öffnungen im Holzbau aber auch ein Gefährdungspotential hinsichtlich der Eintragung des Brandes in die Konstruktion dar. Die Abb. 31 zeigt die nach [25] geforderte Ausführung von Öffnungen für Einbauten wie Fenster, Türen, Verteilern, Lampenkästen usw. in hoch feuerhemmenden Bauteilen. Die Öffnungen der Wandelemente werden umlaufend mit auf F 60 (zukünftig REI 60 nach [27]) geprüften Brandschutzbekleidungen verschlossen. Darüber hinaus wird ein Fugenversatz in der Brandschutzbekleidung ausgebildet. Ziel dieser Massnahmen ist es, die Brandweiterleitung in Richtung der Tragkonstruktion (Riegel, Stützen im Öffnungsbereich) zu verzögern. Im derzeitigen Holzbau wird diese Massnahme nicht verlangt bzw. angewandt, d. h., die Öffnungen sind signifikante Schwachpunkte im Hinblick auf die Tragfähigkeit der Gesamtkonstruktion. Das folgende Fallbeispiel in Abb. 32 zeigt den Brand eines Bauernhauses in St. Veit, Salzburg. Es handelt sich dabei um ein Gebäude in Blockbauweise. Wie auf dem Foto ersichtlich, wurden die aus den Fenster- und Türöffnungen tretenden Flammen aufgrund ihrer Höhe sehr rasch über die Fassade weitergeleitet, griffen schliesslich auf den Dachstuhl über und entzündeten diesen. Die Feuerwehr hatte einen sehr langen Anfahrtsweg zu dem in 1100 m Seehöhe gelegenen Bauernhaus zurückzulegen. Somit war das Haus bereits vor Eintreffen der Löschmannschaften vollständig ausgebrannt, die in Massivholzbauweise errichtete tragende
Aussenwandkonstruktion blieb jedoch bis zu diesem Zeitpunkt erhalten.

Abb. 32: Brandweiterleitung über die Fassade bei einem Bauernhaus in Holzbauweise

4 Brandrisiko unterschiedlicher Bauarten
Einen wesentlichen Aspekt der Untersuchung des Brandverhaltens unterschiedlicher Konstruktionen von mehrgeschossigen Wohnbauten stellt die zahlenmässige Bewertung des Brandrisikos für unterschiedliche Bauweisen dar. Im Rahmen des oben genannten zweijährigen Forschungsprojekts wurde daher ein Schwerpunkt «Brandrisiko – Einfluss der Bauweisen und Bauarten» gesetzt, der im Vorfeld der Risikobewertung exakte Grundlagenrecherchen in bezug auf die Ausgangsgrössen des Berechnungsvorganges erforderlich machte. Im Folgenden wird anhand von Grundlagenangaben in verkürzter Form ein allgemeiner Einblick in den Berechnungsvorgang und die erzielten Ergebnisse gegeben.

4.1 Grundlagen
Unter einer allgemeinen Risikobewertung bzw. einer mathematisch- wahrscheinlichkeitstheoretischen Risikoanalyse versteht man die Bewertung des Gefährdungspotentials, das von einem Objekt für den Personen- und Sachschutz unter definierten und bewerteten Randbedingungen ausgeht; d. h., über die Bestimmung des Brandrisikos kann die für eine bestimmte Gebäudeart zu erwartende Schadenshöhe und -häufigkeit und der daraus resultierende Schaden und seine volkswirtschaftliche Relevanz durch das Ereignis Brand ermittelt werden. Das Gesamtrisiko wird dabei, vereinfacht gesagt, durch drei voneinander unabhängige Faktoren bestimmt. Zu untersuchen sind dazu die folgenden Fragestellungen in Abhängigkeit von der Bauweise und Gebäudenutzung:

1. Wie hoch ist die Entrittswahrscheinlichkeit der Entstehung und der Ausbreitung eines Brandes im Wohnbau?
2. Wie gross ist der materielle (wirtschaftliche) Schaden, und wie hoch sind die Instandsetzungs- und die Folgekosten im Wohnbau?
3. Wie hoch ist der immaterielle Schaden, d. h., welche Schäden ergeben sich infolge eines Brandfalles für Leben, Gesundheit und Umwelt?
In bezug auf die in Deutschland momentan vorliegende Bauweisenverteilung im Wohnbau von ca. 87 % Massivbauten
zu 13 % Holzbauten [2] wird darüber hinaus die Frage aufgeworfen:4. Wie sieht die Entwicklung des derzeit in Deutschland verzeichnetenBrandrisikos bei einer Verlagerung weg vom
Massivbau und hin zum Holzbau für den zivilen Bereich (Wohnbau) aus?

4.2 Brandrisikoberechnung
Das bauartspezifische Brandrisiko für eine bestimmte Gebäudeart in Abhängigkeit von der Brandlast (Q) wird mit der nachstehenden
Formel Gl. (1) beschrieben:

R(Q) = E(Q) . S(Q) Gl. (1)

Darin sind:

R Brandrisiko
E Eintrittshäufigkeit des Brandes in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)
S Schadensausmass des Brandes in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

Für den Wohnbau sind die in Gl. (1) enthaltenen Abhängigkeiten der Brandhäufigkeiten und Brandschäden von der Brandlast Q eindeutig belegt [28]. Die nachstehende Tab. 1 zeigt die Ergebnisse einer Zehn-Jahres-Statistik aus der Schweiz über Brandhäufigkeit, Brandtote und Gebäudeschäden in Abhängigkeit von der Bauart. In dieser Statistik sind alle den Versicherungen gemeldeten Brände im Wohnbau enthalten. Stellt man die Versicherungsdaten dieser Statistik für den Massivbau und den Holzbau einander gegenüber (siehe Tab. 1), so zeigt sich, dass in Abhängigkeit von der Bauart ein Zuwachsfaktor von

• 1,6 für die Eintrittshäufigkeit
• 2,47 für das Schadensausmass
• 2,82 für die Anzahl der Brandopfer

gegeben ist. Die hier interessierenden Zahlen für den Wohnbau belegen somit, dass die Bauart einen signifikanten Einfluss auf das Brandrisiko hat. Da nun die Brandlast und die Konstruktionsart die einzigen brandschutztechnisch wesentlichen Merkmalsunterschiede zwischen einem Massivbau und einem Holzbau sind, können diese Parameter in Gl. (1) zur Anwendung kommen.

Tab 1: Statistische Daten über Brandhäufigkeit, Brandtote und Gebäudeschäden im Wohnbau nach [28]

4.3 Berechnung der Brandeintrittswahrscheinlichkeit
Die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Schadenfeuers stellt in der Gl. (1) eine schwer messbare Grösse dar, zu deren Festlegung aktuelles statistisches Datenmaterial erforderlich ist. Für die Berechnung der Eintrittshäufigkeit von Bränden im zivilen Bereich in Deutschland in Abhängigkeit von der Bauweise gibt es folgende Daten als Ausgangsgrössen:

• In Deutschland werden jährlich durchschnittlich 751 300 Brandfälle durch die Versicherungen in den Versicherungszweigen«Verbundener Hausrat» und «Verbundene Wohngebäude» verzeichnet [3, 4]. Diese Daten beziehen sich auf Angaben aus dem Jahr 1999 und beinhalten alle Brandvorfälle, die den Versicherungen in diesem Kalenderjahr gemeldet wurden.
• Von diesen 751 300 Brandfällen treten nach eigenen Ermittlungen bzw. Berechnungen im Durchschnitt ca. 33 808
Brände im zivilen Bereich und in privaten Haushalten auf, die Versicherungsansprüche über 1534 € geltend machen, d. h., man kann in diesem Bereich zumindest teilweise auch schon geringe Gebäudeschäden für die Brandfälle unterstellen.
• Die Gesamtwohnfläche in Deutschland liegt momentan bei 3 236 000 000 m2Wohnnutzfläche (Stand 2000 nach [5]).

Gemäss den oben genannten Angaben lässt sich die derzeitige Eintrittshäufigkeit von Bränden für den zivilen Bereich in Deutschland aus der jährlichen Anzahl an signifikanten Brandfällen bezogen auf die Gesamtwohnfläche bestimmen. Die Eintrittshäufigkeit insgesamt setzt sich naturgemäss aus einem Anteil an Brandereignissen infolge der mobilen Brandlasten (Nutzung) und aus einem Anteil an Brandereignissen infolge der konstruktiven Brandlasten (Bauweise) zusammen; wobei der Anteil infolge der mobilen Brandlasten auf das Nutzerverhalten zurückgeht und die Bauweise daran im wesentlichen nicht von Einfluss ist. Der Anteil infolge der konstruktiven Brandlasten ist jedoch stark veränderlich und in Abhängigkeit von der Bauart bzw. Höhe der brennbaren Bestandteile zu berechnen. Als Ausgangsgrösse dient hierbei die momentane Bauweisenverteilung von rund 87 % Massivbauten zu 13% Holzbauten im Wohnbaubereich gemäss [2].

Für die weiteren Berechnungen wird die Eintrittshäufigkeit eines Brandes durch die mobile Brandlast als konstant (statistischer Festwert für Wohnbaunutzung) angesehen. Für die Eintrittshäufigkeit infolge der konstruktiven Brandlast gilt hingegen, dass sie direkt proportional zum Anteil der konstruktiven Brandlast ist. Für die in der Abb. 2 gezeigten unterschiedlichen Bauweisen im Wohnbau mit den Anteilsgrössen der konstruktiven und der mobilen Brandlasten ergeben sich demnach die in der nachfolgenden Abb. 33 dargestellten Eintrittswahrscheinlichkeiten für Brände. Auf der Abszisse ist der Anteil der jeweiligen Holzbauweise im Wohnbau in Prozent dargestellt. Auf der linken Seite der Abb. 33 sind demgemäss die Werte der Massivbauweise dargestellt, und ganz rechts liegt der Holzbau. Für die Holzbauweise werden die Holzrippen-, die Skelett- und die Brettstapelkonstruktionen betrachtet. Die Ordinate zeigt die intrittshäufigkeit eines Brandes bezogen auf 1m2 Wohnnutzfläche im zivilen Bereich für ein Jahr.

Abb. 33: Eintrittshäufigkeit E von Bränden pro m2 Wohnfläche und Jahr in Abhängigkeit von der Bauweise im
Wohnbau in Deutschland

Die grüne Markierung im linken unteren Bereich des Diagramms in Abb. 33 stellt die derzeitige Eintrittshäufigkeit eines Brandes mit einer Grösse von 1,05 · 10–5 Bränden/m2 Jahr, wobei von einer momentanen Bauweisenverteilung von 13% Holzrippen- und 87 % Massivbau ausgegangen wird. Die in diesem Wert für die Eintrittshäufigkeit berücksichtigte Anzahl von Bränden bezieht sich dabei auf jene Brandereignisse, die ein Schadenausmass von mindestens 1500 € verursachen. Gemäss den statistischen Daten der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen [39] liegt in der Schweiz die Eintrittshäufigkeit von Bränden, die dem Wohnbau zuzuordnen sind und einen Sachschaden von mindestens 2000 CHF (entspricht ca. 1325 €) verursachen, bei 0,922 Bränden/m2 Jahr. Der Vergleich dieser beiden Grössen zeigt, dass eine gute Übereinstimmung zwischen den in der Untersuchung [7,34] ermittelten Grössen und den statistischen Zahlen der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen [39] erzielt wird.

Der Vergleichswert für den reinen Massivbau (100 % Massivbau) liegt bei 0,99 · 10–5 Bränden/m2 Jahr und für den Holzbau zwischen 1,39 · 10–5 Bränden/m2 Jahr (100% Holzrippenbauweise) und 1,68 · 10–5 Bränden/m2 Jahr (100 % Brettstapelbauweise) (s.Tab. 2). Eine analoge Auswertung von vorliegenden Brandhäufigkeitsdaten in Österreich mit 10 % Holzbau (Holzrippenbauweise) und 90 % Massivbau hat zu folgenden Werten geführt: Die aktuell in Österreich vorliegende Eintrittshäufigkeit von Bränden im Wohnbau führt zu einem Referenzwert von 1,23 · 10–5 Bränden/m2 Jahr. Für den reinen Massivbau liegt die Eintrittshäufigkeit von Bränden bei 1,19 · 10–5 Bränden/m2 Jahr. Bei einem Holzbau können in Abhängigkeit von der Holzbauweise Werte zwischen 1,66 · 10–5 Bränden/m2 Jahr (100% Holzrippenbauweise) und 2,00 · 10–5 Bränden/m2 Jahr (100% Brettstapelbauweise) für die Eintrittshäufigkeit erreicht werden (s. Tab. 2).

Tab. 2: Daten über Brandhäufigkeiten im Wohnbau in Deutschland und Österreich, nach [34] und [7]

Vergleicht man die Eintrittshäufigkeit eines Brandes für einen reinen Massivbau (100 % Massivbau) mit der Eintrittshäufigkeit für einen Holzbau in Skelettbauweise (100 % Skelettbau) so ergibt sich gemäss den Berechnungen am Institut für Baustofflehre ein prozentueller Zuwachs für die Eintrittshäufigkeit eines Brandes von 100% auf 161 % für Deutschland und von 100% auf 159% für Österreich (siehe Abb. 34). Der Skelettbau wurde in diesem Zusammenhang als Richtgrösse gewählt, da er einen möglichen «Durchschnittswert» zwischen der Brettstapel- und der Holzrippenbauweise darstellt.

Zur Überprüfung der in der Berechnung ermittelten Zahlen wurden im Zuge der Untersuchung u. a. statistische Daten der 1. Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen (CH) ausgewertet, mit denen erstaunliche Übereinstimmungen zu demursprünglich prognostizierten Zuwachs der Eintrittshäufigkeit von Bränden in Abhängigkeit von der Bauweise erzielt werden konnten (siehe Abschnitt 4.2). Diese Daten belegen anhand von tatsächlich eingetretenen Brandereignissen an Wohnbauten in Massiv- und Holzbauweise im Kanton Bern für den Zeitraum 1986 bis 1995 [28], dass bei Holzbauten die Gefahr eines Brandes um 60,6% höher liegt als bei Massivbauten (siehe Abb. 34), wobei sich die ermittelte Eintrittshäufigkeit nach VKF auf alle den Versicherungen gemeldeten Brandschäden im Wohnbau bezieht.

4.4 Berechnung des Schadensausmasses
Das Schadensausmass wird im wesentlichen von der Anzahl der Brandtoten und -verletzten und der Höhe der im (mobile Brandlasten) und am (konstruktive Brandlasten) Gebäude verursachten Zerstörungen und Schäden durch den Brand bestimmt.

Im Hinblick auf das Schadensausmass durch Tote und Verletzte ist in der Studie [7] bereits ein Einfluss der Bauart auf die Anzahl der Todesopfer und Verletzten berücksichtigt. Für den Sachschaden gilt, ebenso wie für die Eintrittshäufigkeit, dass der Schadensanteil infolge der mobilen Brandlasten bezogen auf das Nutzerverhalten und die Bauweise etwa als konstant angesetzt werden kann, wohingegen der Anteil infolge der konstruktiven Brandlasten stark veränderlich ist und von der Bauweise bzw. von der Höhe der brennbaren Baustoffe abhängt.

Abb. 34: Gegenüberstellung der Eintrittshäufigkeit von Bränden im Wohnbau in Abhängigkeit
von der Bauweise nach [28], [34] und [7]

Zur Ermittlung der Bezugsgrössen, d. h. des momentan in Deutschland vorliegenden Schadensausmasses durch Brandereignisse in Wohnbauten, dient Datenmaterial des Gesamtverbandes der Deutschen Versicherungswirtschaft [2] als Grundlage. Die Berechnung der Personenschäden stützt sich u. a. auf Angaben des österreichischen Kuratoriums für Verkehrssicherheit.

• Basierend auf dem Datenmaterial des GDV ergibt sich für 1998 im Wohnbau eine Sachschadensumme durch Brandereignisse
in der Höhe von 1,22 Mrd. € (2,39 Mrd. DM).
• Der Anteil der Versicherungsansprüche über 1534 € (ca. 3000 DM) liegt nach eigenen Bewertungen der Daten aus
Österreich bei ca. 61 % und ergibt somit eine Sachschadensumme 750 Mio. € (1467 Mio. DM).
• Als Berechnungsgrundlagen für die Personenschäden dienen Angaben des Kuratoriums für Verkehrssicherheit in Österreich,
die besagen, dass die Schadenssummen pro Todesfall mit 1,18 Mio. € (2,3 Mio. DM) und pro Verletzten mit 50 000,– € (97 800 DM) anzusetzen sind.
• Im Jahr 1999 wurden 506 Todesopfer durch Exposition gegenüber Feuer, Rauch und Flammen in Deutschland verzeichnet
[8]. Davon gab es 429 Brandopfer in privaten Haushalten. (Anmerkung: Diese Daten sind dem Feuerwehrjahrbuch
des Deutschen Feuerwehrverbandes entnommen [36].)
• Ausgehend von Statistiken der US-Fire Administration ist bei Bränden pro einem Todesfall durchschnittlich mit sechs Verletzten
zu rechnen. Auf dieser Basis ergibt sich durchschnittlich eine jährliche Anzahl von 2574 Verletzten.

Demgemäss setzt sich der jährliche volkswirtschaftliche Gesamtschaden, der durch Brände im zivilen Bereich (Wohnbau)
bei einer momentanen Bauweisenverteilung von 87 % Massivbau zu 13 % Holzbau verursacht wird, aus Sachschäden in der Höhe von 0,75 Mrd. € (1,46 Mrd. DM) und Personenschäden in der Grössenordnung von 0,63 Mrd. € (1,24 Mrd. DM) zusammen und beträgt in Summe 1,38 Mrd. € (2,70 Mrd. DM). Ausgehend von diesen Bezugsgrössen wird im Folgenden die Entwicklung der Schadenssumme bei einer angedachten Anteilsverlagerung vom Massivbau hin zum Holzbau berechnet. Die Sach- und Personenschäden, verursacht durch die konstruktiven Brandlasten, werden dabei direkt proportional der Brandlast angenommen, und die Sach- und Personenschäden durch die mobilen Brandlasten als konstant angesehen (siehe Gl. (2), (3) und (4)). Eine detaillierte Aufstellung der Grundannahmen und der Berechnungsvorgänge ist den Angaben in [7] zu finden.

S(Q) = SPers(Q) + SSach(Q) Gl. (2)

Darin sind:

S               Schadensausmass des Brandes in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

S_Pers              Schadensausmass der Personenschäden infolge Brand in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

S_Sach            Schadensausmass der Sachschäden infolge Brand in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

Die Gesamtschadenssumme setzt sich somit aus dem Schadensanteil durch die Personen- und Sachschäden in Abhängigkeit von der Brandlast zusammen. Die folgenden Gleichungen Gl. (3) und Gl. (4) beschreiben die einzelnen Einflussterme, die in die Berechnung des Schadensausmasses einfliessen, im Detail:  

S_Pers(Q)     = S_Tote(Q) + S_Verletzte (Q) Gl. (3)

S_Sach(Q)    = S_mobil(Q) + S_konstruktiv (Q) Gl. (4)

Darin sind:

S_Pers              Schadensausmass der Personenschäden infolge Brand in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

S_Tote          Schadensausmass der Todesfälle infolge Brand in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

S_Verletzte     Schadensausmass der Verletzten infolge Brand in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

S_Sach         Schadensausmass der Sachschäden infolge Brand in Abhängigkeit von der Brandlast (Q)

S_mobil         Schadensausmass der Sachschäden infolge Brand in Abhängigkeit von der mobilen Brandlast (Q)

S_konstruktiv    Schadensausmass der Sachschäden infolge Brand in Abhängigkeit von der konstruktiven Brandlast (Q)

Für die Bewertung des Zuwachses der Personenschäden in Abhängigkeit von der Bauweise wird auf die Verteilung der
Holz- bzw. Massivbauweise in Deutschland und Österreich im Vergleich zu drei weiteren Industrieländern mit relativ hohen
Holzbauanteilen im Wohnbau Bezug genommen (siehe Abb. 35). Österreich und Deutschland weisen eine Bauweisenverteilung von etwa 90 % Massivbauten zu 10 % Holzbauten auf. In Japan liegt der Anteil der Holzbauten im Wohnbau mit ca. 41 % bereits bedeutend höher als in Österreich; die Massivbauten nehmen eine Grössenordnung von 59 % ein. In den USA sind Anteilsgrössen von 80 % für die Holzbauweise und 20 % für die Massivbauweise zu verzeichnen. Die finnischen Daten stammen aus dem statistischen Zentralamt in Finnland und belegen eine Bauweisenverteilung von ca. 85 % Holzbauten und 15 % Massivbauten im Wohnbau.

Abb. 35: Prozentuale Gegenüberstellung der Holz- bzw. Massivbauanteile in fünf Industriebauländern inklusive
Deutschland für das Jahr 1998 und die Anzahl der Brandtoten je Million Einwohner und Jahr nach der WWFS(10)

Die Überlagerung der oben genannten Bauweisenverteilungen mit der Anzahl der Brandtoten je eine Million Einwohner zeigt, dass jene Länder mit einem relativ hohen Holzbauanteil im Durchschnitt eine grosse Anzahl an Brandopfern aufweisen. Finnland erreicht in diesem Vergleich mit einem Holzbauanteil von 85 % und 21,2 tödlichen Brandopfern je eine Million Einwohner sowohl den grössten Anteil an Holzbauten als auch die grösste Anzahl an Brandopfern. In den USA liegt der Anteil der Holzbauten bei ca. 80 % und die Zahl der Brandopfer bei 19 Personen je eine Million Einwohner.
Die obigen Zahlen beziehen sich jeweils auf Industrienationen mit einem hohen technischen Standard und entsprechend gut entwickelten bautechnischen Bestimmungen, sodass diesbezüglich von einer vergleichbaren Bewertungsgrundlage auszugehen ist. Die Daten sind insoweit grundsätzlich untereinander vergleichbar. Sie zeigen einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen der Bauweise und dem Brandrisiko in bezug auf die Personenschäden auf, d. h., der Einfluss der Bauweise auf den Brandverlauf als Risikofaktor ist relevant. Daneben haben u. a. gesellschaftliche und sozioökonomische Bedingungen wie z. B. Nutzungsgewohnheiten, bauordnungsrechtliche Vorschriften, ebenfalls einen Einfluss auf das Brandrisiko. Eine differenzierte Bewertung dieser Faktoren ist aufgrund fehlender Daten derzeit
allerdings nicht möglich.

Die Quantifizierung der obigen Daten erfolgt über eine lineare Regression nach folgender Gleichung:

y = 7,786 + 0,156 · x Gl. (5)

Der Korrelationskoeffizient für die Gl. (5) weist mit 0,96 eine vergleichsweise gute Korrelation zwischen den verwendeten
Daten auf. Die Abb. 36 zeigt, dass für den reinen Massivbau (100 % Massivbau) mit 7,79 Brandopfern pro Million Einwohner
zu rechnen ist und für den reinen Holzbau (100 % Holzbau) mit 23,39 Brandopfern pro Million Einwohner. Unter dieser Betrachtungsweise ist die Anzahl der Todesopfer beim Holzbau (rechte Seite der Abb. 36) bezogen auf den reinen Massivbau (linke Seite der Abb. 36) um 200% höher als beim reinen Massivbau. In diesem Wert ist die Annahme enthalten, dass bei einer Zunahme der konstruktiven Brandlasten im Wohnbau mit einer erhöhten Brandhäufigkeit und einem höheren Todesfallrisiko zu rechnen ist. Aus den schweizerischen Daten nach Tab. 1 ist ersichtlich, dass der hier abgeleitete Zuwachs von 206% von den tatsächliche beobachteten Werten (282 %) noch übertroffen wird.

Abb. 36: Ermittlung des Einflusses der Bauweise auf die Anzahl der Todesopfer gemäss einer linearen Regression

Die rot schraffierte Fläche aus der Abb. 36, die von der linearen Regressionsgeraden und der konstanten Geraden für die Anzahl der Brandopfer ohne Brandlasteinfluss eingegrenzt wird, deckt somit das gesamte Spektrum der möglichen Einflussfaktoren auf die Schwere des Brandverlaufes und die daraus resultierende Anzahl an Brandopfern ab; wobei die untere horizontale Grundlinie, jene Risikosituation beschreibt, welche davon ausgeht, dass die Bauweise keinerlei Einfluss auf das Personenrisiko hat. Werden umfassende brandschutztechnische Verbesserungen am Holzbau bzw. an dem Bewusstsein der Bewohner von Holzbauten in Form von anlagentechnischen, bewusstseinsbildenden, entwurfsspezifischen Massnahmen usw. vorgenommen, könnte die Entwicklung der Todesopfer eventuell noch wesentlich günstiger ausfallen, als mittels der linearen Regressionsgeraden aufgezeigt wird. Für eine Senkung der Anzahl der Brandopfer in Holzbauten im Wohnbau sind allerdings umfassende Massnahmen zur Verbesserung des
Brandschutzes erforderlich, wie sie z. B. bereits in den USA für die neu errichteten Wohnbauten teilweise gesetzlich gefordert werden.

Die Abb. 37 zeigt den Anstieg des Schadensausmasses, der gemäss den obigen Grundannahmen bei einer Verlagerung vom Massiv- hin zum Holzbau zu erwarten ist. Dabei ist unterstellt, dass die bisher üblichen Bauweisen in ihrer konstruktiven Ausbildung unverändert beibehalten werden. Auf der Abszisse ist der Anteil der jeweiligen Holzbauweise im Wohnbau in Prozent dargestellt. Auf der linken Seite der Abb. 37 sind demgemäss die Werte der Massivbauweise dargestellt, und ganz rechts liegt der Holzbau. Für die Holzbauweise werden die Holzrippen-, die Skelett- und die Brettstapelkonstruktionen betrachtet. Die Ordinate zeigt das Schadensausmass von Bränden im zivilen Bereich
für ein Jahr. Die grüne Markierung im linken unteren Bereich des Diagramms stellt dabei jenes Schadensausmass von
1,38 Mrd. € (2,70 Mrd. DM) dar, das momentan in Deutschland durch Wohnungsbrände ab einem Versicherungsanspruch von 1534 € (3000 DM) in etwa verursacht wird.

Abb. 37: Schadensausmass S von Bränden in Abhängigkeit von der Bauweise im Wohnbau

Vergleicht man das Schadensausmass eines Brandes für einen reinen Massivbau (100% Massivbau) mit dem Schadensausmass für einen Holzbau in Skelettbauweise (100 % Skelettbau), so ergibt sich gemäss den Berechnungen ein prozentueller Zuwachs für die Schadenshöhe von 100% auf 218% (siehe Abb. 37); d. h., das Schadensausmass bei einem Holzbau in Skelettbauweise (rechte Seite der Abb. 37) ist bezogen auf den reinen Massivbau (linke Seite der Abb. 37) um 118 % höher als bei einem reinen Massivbau (siehe auch Abb. 38). In der Abb. 38 ist eine Gegenüberstellung der Untersuchungsergebnisse des Instituts für Baustofflehre, Bauphysik und Brandschutz zu statistischen Zahlen von tatsächlichen Brandereignissen im Wohnbau, die von den Schweizer Versicherungen [28] über einen Zeitraum von 10 Jahren erfasst wurden, dargestellt. Die Daten der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen (CH) für den Kanton Bern belegen, dass die Bauweise sogar noch einen grösseren Einfluss auf die Schadenshöhe nimmt, als die an unserem Institut durchgeführte Untersuchung prognostiziert. Demgemäss ist mit einem Anstieg des Schadensausmasses von 100% auf 247% zu rechnen, wenn es sich bei dem Brandobjekt um einen brennbaren Holzbau im Vergleich zu einem nichtbrennbaren Massivbau handelt (siehe Abb. 38).

Abb. 38: Gegenüberstellung des Schadensausmasses von Bränden im Wohnbau in Abhängigkeit von der Bauweise nach [28], [34] und [7]

Die geringere Bewertung des Schadensausmasses in den Untersuchungsergebnissen des Instituts für Baustofflehre,
Bauphysik und Brandschutz ist möglicherweise z. T. darauf zurückzuführen, dass in der Berechnung nur jener Anteil der
Versicherungsansprüche berücksichtigt wird, bei dem der infolge Brand verursachte Schaden über einem Versicherungswert von 1534 € liegt, wohingegen in der Untersuchung nach [28] alle den Versicherungen gemeldeten Brandschäden im Wohnbau enthalten sind.

5 Bewertung des Brandrisikos
Ausgehend von den ermittelten Schadensausmassen und den Eintrittshäufigkeiten von Bränden zeigt die Abb. 39 die Ergebnisse der Berechnungen für das Brandrisiko nach Gl. (1) in Abhängigkeit von der Verteilung der Bauweisen. Auf der Abszisse ist der Anteil der jeweiligen Holzbauweise im Wohnbau inProzent dargestellt. Auf der linken Seite der Abb. 39 sind demgemäss die Werte der Massivbauweise dargestellt, und ganz rechts liegt der Holzbau. Für die Holzbauweise werden die Holzrippen-, die Skelett- und die Brettstapelkonstruktionen betrachtet. Die Ordinate zeigt das Risiko eines Brandes bezogen auf 1m2 Wohnnutzfläche im zivilen Bereich.

Abb. 39: Anstieg des Brandrisikos in Abhängigkeit von der Verteilung der Bauweisen im Wohnbau im Jahr 1998

Im linken unteren Bereich der Grafik ist bei 13 % Holzbau das momentan in Deutschland über alle Gebäude gemittelte monetäre Brandrisiko im Wohnbau mit 14 418 €/m2 (28 200 DM/m2) eingetragen. Als Ausgangsgrösse gilt hierfür eine grob angenommene Bauweisenverteilung von 87 % Massiv- zu 13 % Holzrippenbauten im Wohnbau.

Die Abb. 39 zeigt somit eindeutig, dass bei einer Erhöhung des Anteils an Holzkonstruktionen im Wohnbau in Abhängigkeit vom Konstruktionstyp mit einer überproportionalen Zunahme des Risikos zu rechnen ist. Die Zunahme des Brandrisikos ist naturgemäss umso grösser, je höher der Anteil an bauweisenspezifischen brennbaren Baustoffen ist. Anhand eines direkten Vergleichs zwischen der Massiv- und der Skelettbauweise kann die Veränderung des Risikos durch die Bauweise konkretisiert werden. Demgemäss liegt das rechnerische Brandrisiko bei einer Ausführung eines Gebäudes in Massivbauweise bei 12 021 €/m2 pro Jahr. Für dasselbe Bauwerk erreicht das Brandrisiko bei Verwendung von brennbaren Holzbaustoffen in der Konstruktion, im konkreten Fall wurde die Skelettbauweise gewählt, eine Grössenordnung von 42 265 €/m2 pro Jahr.

In der Abb. 40 sind diese Ergebnisse in einem prozentuellen Vergleich gegenübergestellt. Das Diagramm beinhaltet darüber hinaus statistische Daten der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen (CH), anhand derer das tatsächliche Brandrisiko basierend auf Brandereignissen an Wohnbauten im Kanton Bern über den Zeitraum 1986 bis 1995 für Massiv- und Holzbauten [28] ermittelt wurde. Es zeigt sich, dass gegenüber den Untersuchungsergebnissen der TU Wien, die einen Anstieg von 100% auf 352% prognostizieren, in der Realität mit einem weit höheren Einfluss der Bauweise zu rechnen ist, der bis zu einem Zuwachs des Brandrisikos von 100% (100 % Massivbau) auf 396% (100 % Holzbau) führen kann (siehe Abb. 40). Mit den Daten der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen (CH) wird somit bestätigt, dass die Bauweise einen signifikanten Einfluss auf das Brandrisiko nimmt. Des weiteren wird durch den Vergleich in Abb. 40 belegt, dass die Verwendung brennbarer Baustoffe für Tragsysteme im Wohnbau zu einer Erhöhung des Brandrisikos um den Faktor 3,5 bis 4,0 führen kann.

Abb. 40: Gegenüberstellung der berechneten und statistischen Risikogrössen für unterschiedliche Bauweisen im
Wohnbau nach [28], [34] und [7]

Die hier dargestellten Ergebnisse und Prognosen beziehen sich naturgemäss auf die bestehende Bausubstanz. Wenn es also gelänge, die Brandsicherheit von Holzkonstruktionen hinsichtlich des Personenschutzes (z. B. durch automatische
Brandmelder) und des Sachschutzes (z. B. durch automatische Löschanlagen oder durch andere bauliche Brandschutzmassnahmen) signifikant zu verbessern, dann würden sich deutlich günstigere Verhältnisse ergeben. Die neue Holzbaurichtlinie ist sicherlich ein deutlicher Schritt in diese Richtung. Vergleichbare Vorhaben sind in Österreich (leider) noch nicht in Arbeit, d. h., im mehrgeschossigen Wohnbau sind die aufgezeigten Risiken nicht wegzudiskutieren, wenn nicht im Einzelfall zusätzliche Brandschutzmassnahmen vom Bauherrn verlangt oder behördlicherseits
vorgeschrieben werden.

6 Zusammenfassung
Die Untersuchungsergebnisse zeigen eindeutig, dass das Risikopotential durch das Ereignis Brand im Wohnbau in starker
Wechselbeziehung und Abhängigkeit von der Art der Bauweise steht. In diesem Zusammenhang ist daher der verantwortungsvolle Umgang der Planer mit dem Gebäudedesign gefordert. Die Möglichkeit der gestalterischen Freiheit und Freizügigkeit im Gebäudedesign, die den Planern und Bauherrn durch dieneueren Entwicklungen in den Rechtsgrundlagen geboten werden, sollten nicht zu einem Absinken des Sicherheitsniveaus führen. Zu diesem Zweck müssen die Risiken, die durch die Verwendung von brennbaren Stoffen in einer mehrgeschossigen tragenden Gebäudekonstruktion entstehen, sowohl Planern, Bauherren und Gebäudenutzern rechtzeitig vor Augen geführt werden. Dabei ist grundsätzlich zu beachten, dass in der Regel die Brandwiderstandsdauer jedes einzelnen
Bauteils für den Brandwiderstand der Gesamtkonstruktion nicht ausschlaggebend ist, sondern die Tragfähigkeit des
Gesamtsystems beurteilungsrelevant ist. Dies betrifft vor allem den Mehrgeschossbau, d. h., das Versagen einzelner Bauelemente und deren Verbindungen hat unter Umständen katastrophale Folgen für das gesamte Gebäude.

Die gültigen Normen DIN 4102 und ÖNORM B 3800 sowie die betreffenden Eurocodes berücksichtigen bereits weitgehend,
dass Bauteile nicht isoliert betrachtet werden dürfen. Sie gehen aber nicht expressis verbis auf die Wirkung von Bauteilinteraktionen bei einer Brandbeanspruchung ein, d. h., welche konstruktiven Massnahmen zu treffen sind, um solche Systeme den vorliegenden Brandeinwirkungen anzupassen, bleibt im allgemeinen dem Planer vorbehalten. Dazu sind grundlegende Kenntnisse über den Brandschutz erforderlich, insbesondere sind die konstruktiven Schwachpunkte wie Anschlüsse und Verbindungen zu beachten und zu bewerten.

Bei der Betrachtung des Temperaturverhaltens der Baustoffe ist zu beachten, dass die massiven Baustoffe Beton bzw. Stahlbeton und Mauerwerk nicht brennbar sind, d. h., die Geometrie und die Form der nahezu monolithischen Konstruktion bleibt im Brandfall im Wesentlichen erhalten. Bei Holz handelt es sich im Gegensatz dazu um einen brennbaren Baustoff, d. h., die Brandeinwirkung führt bei der Holzbauweise zu einer Reduktion der tragenden Querschnitte unter Zunahme der inneren Spannungen, wobei die überwiegend metallischen Verbindungen der Einzelbauteile bei der Erwärmung schnell ihre Tragfähigkeit verlieren. Jeder Planer muss sich die Wirkung des Feuers auf die unterschiedlichen Konstruktionsweisen qualitativ klarmachen, d. h., das Gesamtsystem aus massiven Baustoffen bzw. Holz brandschutztechnisch analysieren und optimieren. Dabei ergibt sich ein grundlegender Unterschied zwischen den Bauweisen.

Der Massivbau kann konstruktive Reserven nutzen, die das Bauwerk bietet, und damit das Verhalten günstig beeinflussen,
d. h., Schwachstellen können leicht vermieden bzw. ausgeglichen werden. In der Holzbauweise gibt es grundsätzlich eine
Vielzahl brandschutztechnischer Schwachstellen, und es existieren im Vergleich zur Massivbauweise praktisch keinerlei
Reserven, d. h., das Gesamtsystem verzeiht aus brandschutztechnischer Sicht keine konstruktiven Fehler. Aus diesem Grund wurde in Deutschland auch eine neue brandschutztechnische Muster-Richtlinie für den Holzbau erarbeitet, sodass im Geschossbau zukünftig gravierende Konstruktionsmängel vermieden werden können. Durch den immer weiter steigenden Kosten- und Termindruck auf den Baustellen ist es jedoch auch bei einer aus brandschutztechnischer Sicht akzeptablen Planung im Holzbau kaum möglich, dass die Ausführung der konstruktiven Details für den Brandschutz in allen Fällen die nötige Beachtung findet. Das beginnt mit der Verlegung von Versorgungsrohren in den Hohlräumen von Wänden und Decken und endet bei dem Verlegen von Kabeln und dem Einbau von Steckdosen. Selbst die Mitarbeiter von Fachfirmen (z. B. Installateure, Elektriker usw.) haben bezüglich Brandschutz üblicherweise keine spezifischen Kenntnisse oder Erfahrungen.

Der Vergleich von massiven, nichtbrennbaren mehrgeschossigen Wohngebäuden mit entsprechenden brennbaren Holzkonstruktionen hat ergeben, dass Massivbauweisen durch ihr aus brandschutztechnischer Sicht günstigeres Verhalten der Gesamtkonstruktion ein erheblich höheres Sicherheitsniveau besitzen als brennbare Holzkonstruktionen. Die Sicherheit von Holzkonstruktionen kann prinzipiell nur durch automatische Brandlöschung oder brandsichere Verkleidung sämtlicher
brennbarer Oberflächen mit nichtbrennbaren Baustoffen erfolgen, wie dieses gemäss der neuen Muster-Holzbaurichtlinie
vorgesehen ist.

Der mehrgeschossige Holzbau wird in Österreich im allgemeinen in seinen gebäudetechnischen Eigenschaften dem
Geschossbau in Massivbauweise nahezu gleichgestellt. Oberflächlich betrachtet findet nur eine Materialsubstitution von
nichtbrennbaren Baumaterialien durch Holz und Holzwerkstoffe unter scheinbarer Beibehaltung der normativen brandschutztechnischen Erfordernisse einzelner Bauteile des Bauwerks statt. Dieses ist aufgrund des materialtechnologischen und statischen Verhaltens der unterschiedlichen Konstruktionen
sicherheitstechnisch nicht nachvollziehbar und bedenklich. Um nur anähernd ein ähnlich sicheres brandschutztechnisches
Niveau zu erreichen, wie es derzeit im Massivbau gegeben ist, sind im Holzbau neben komplizierten konstruktiven
Massnahmen (z. B. Vermeidung brennbarer Oberflächen, Brandschutz der Anschlüsse und Verbindungen) eventuell auch
aktive, d. h. anlagentechnische Brandschutzmassnahmen (kombinierte Brandmelde- und Sprinkleranlagensysteme) erforderlich. Dies würde in letzter Konsequenz zu einem Umdenken bei der Anwendung von Holzbauweisen führen, wie bereits in anderen Ländern (wie z. B. Neuseeland, Australien, USA) zu beobachten ist.