„Das war schon ein beeindruckendes Schauspiel“, sagt Louis-Guy Cajot, „den Qualm hat man aus 15 Kilometern Entfernung noch gesehen!“ Cajot ist Ingenieur und leitet im Forschungszentrum der PROFILARBED s.a. in Esch/Alzette die Abteilung „Produktanwendung für Träger“. Wichtiges Teilgebiet ist dort das so genannte „Fire Engineering“ von Stahlbauten.
Das „Schauspiel“ fand vor fünf Jahren statt: Die Ingenieure von ProfilArbed Research hatten im französischen Vernon nahe Paris auf einem Trainingsgelände der Feuerwehr zu Versuchszwecken ein 480 Quadratmeter umfassendes und zwei Stock hohes offenen Parkhaus aus Stahl bauen lassen und mit Autos bestückt. Von drei nebeneinander geparkten Pkw setzten sie den mittleren in Brand. Das Feuer sprang nach einiger Zeit erst auf den einen, dann auf den anderen benachbarten Wagen über. Alle Pkw brannten vollständig aus. Dass die Qualmentwicklung es war, die die vielen geladenen Gäste am meisten beeindruckte, und nicht etwa das Gebäude beschädigt wurde, gab den Berechnungen und Simulationen der Forscher aus Esch Recht: Ein „natürliches Feuer“ konnte ihrer Parkhauskonstruktion nichs anhaben.
„Natürliche Feuer“ in ihren Auswirkungen zu untersuchen, ist eine Tätigkeit, der sich insbesondere die Forschungsabteilungen großer Stahlunternehmen in den letzten zwei Jahrzehnten intensiv zu widmen begonnen haben. Stahl ist zwar nicht brennbar. Doch wenn die Temperatur in einem stählernen TrägerStahlträger knapp 600 °C erreicht, hat er 50 Prozent seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Belastungen eingebüßt. Die Festigkeit des Betons verhält sich ganz ähnlich, Beton erwärmt sich jedoch viel langsamer. Nicht nur für die so genannten reinen Stahlbauten, in denen lediglich die Geschossdecken beziehungsweise Fußböden aus Stahlbeton bestehen, sondern auch für Stahl-Beton-Verbundbauten ist der Feuerwiderstand eine wichtige Konstruktionsfrage, und wie die Feuerwiderstandsdauer sich garantieren lässt, muss bereits Stahlträgerhersteller wie PROFILARBED interessieren: „Primär verkaufen wir natürlich Stahl“, sagt Jacques Hoffmann, General Manager von ProfilArbed Research, „aber das wäre kaum möglich, wenn wir nicht immer neue Anwendungen für unsere Produkte erschließen würden. Dafür erarbeiten wir nicht nur Expertisen und Konstruktionsvorschläge, sondern entwickeln auch Softwarepakete, die die Konstrukteure unserer Kunden und Ingenieurbüros nutzen können; beispielsweise zur Brandsicherheit von mit unseren Trägern errichteten Stahlstrukturen.“ ProfilArbed sieht in Stahl- und Verbundbauten für Parkhäuser, Bürogebäude, Supermärkte, Industriehallen oder Krankenhäuser einen interessanten Markt: Tradition und damit dominierende Marktanteile haben solche Bauten bisher vor allem in Großbritannien, in Kontinentaleuropa ist dem noch längst nicht so.
Das Fire Engineering ist als Teildisziplin der Stahlbauforschung noch derart jung, dass die Brandschutzberechnungen noch immer von einigen wenigen, mit den Methoden vertrauten Personen ausgeführt werden. Ein Gebäudekonstrukteur muss letzten Endes wissen, wie er die Skelettstruktur eines Gebäudes auslegt: Im Falle eines Brandes, der das „Skelett“ an bestimmten Stellen schwächt, müssen die durch das Feuer geschwächten Bauteile die Lasten auf andere, dem Feuer nicht ausgesetzte Bauteilen übertragen. Weil sich aber gleichzeitig die Frage des rationellen Materialeinsatzes stellt, führt das Fire Engineering von Stahlbauten zu Strukturen, die so ausgeklügelt sind, dass sie im Innern von Stahlbau-Gebäuden ästhetisch interessant anzuschauen sind. Beispiele hier zu Lande sind nicht nur das ganz aus Stahl errichtete Domizil von ProfilArbed Research an der Luxemburger Straße in Esch/Alzette, sondern auch der Stahl-Beton-Verbundbau des neuen Gebäudes der State Street Bank auf dem Kirchberg, der kürzlich eröffnete Stahl-Supermarkt der Cactus-Gruppe am Escher Brillplatz oder die Stahl-Parkhäuser an der Arloner Straße und an der Hollericher Straße in Luxemburg-Stadt.
Noch immer aber ist nicht restlos geklärt, wie ein Feuer in verschiedenen Gebäuden wirkt. Eventuell könnten die Tragwerke von Stahlbauten noch ausgeklügelter, der Materialverbrauch noch geringer sein – und die nationalen Sicherheitsstandards europaweit einheitlicher.
An der Überprüfung und Verfeinerung der Normen haben die Brandschutzingenieure von ProfilArbed Research großen Anteil. Noch vor rund 15 Jahren war in Europa weitgehend unklar, wie ein „natürliches Feuer“ wirkt. Nationale Brandschutzvorschriften waren unterschiedlich streng, und es gab nur einen allgemein anerkannten, aber wenig realistischen Standard zur Beschreibung eines Brandes: Der ISO-834-Kurve nach war im Brandfall in einem Raum unabhängig von dessen Geometrie und dem Anteil an Öffnungen die Temperatur stets überall gleich. Nach einer halben Stunde herrschten demnach überall im Raum für die Festigkeit des gesamten Gebäudes gefährliche 834 °C Gastemperatur, nach zehn Minuten bereits knapp 600 °C – ganz unabhängig davon, wie groß der Raum sein und wie viel brennbares Material welcher Art sich dort befinden mochte. Von Land zu Land unterschiedlich waren die Anforderungen, anhand dieser ISO-Kurve durch passiven Schutz am Bauwerk für eine bestimmte Zeit die Standfestigkeit des Gebäudes zu garantieren. In Wirklichkit jedoch entsteht ein Feuer an einem bestimmten Ort und breitet sich mit der Zeit in unterschiedlichen Bereichen eines Gebäudes aus. Der Brand kann eine Schwelphase haben, und seine Dauer hängt davon ab, wie viel brennbares Material vorhanden ist, wieviel Sauerstoff dem Feuer zugeführt wird und wann die Brandbekämpfung durch die Feuerwehr einsetzt.
Der konservative ISO-834-Ansatz lag in den Achtziger- und Neunzigerjahren auch den Brandsicherheits- und Stabilitätsvorschriften für Parkhäuser zugrunde und hatte in Europa zu national unterschiedlichen Vorschriften geführt. In Frankreich waren sie sogar so streng, dass dort bis zur Jahrtausendwende noch kein einziges Parkhaus gebaut worden war. Dabei haben gerade Parkhäuser aus Stahl Vorteile: Typisch für Bauten aus Stahlbeton sind jene verhältnismäßig dicken, die Decke tragenden Säulen ausgerechnet am Eingang von Parkbuchten, die das Manövrieren mit dem Auto nicht selten behindern. Stahl-Parkhäuser dagegen kommen nicht nur mit weitaus schlankeren, sondern auch mit weniger Deckenträgern aus, so dass tragende Elemente im hinteren Teil einer Parkbucht stehen können. Kostengünstig sind Stahlparkhäuser obendrein.
Mehrere Brandversuche unternahmen die Forscher der PROFILARBED zwischen 1990 und 1995 gemeinsam mit Labors in Finnland und Frankreich, um ganz präzise die Hitzefreisetzungsrate zu bestimmen, die von einem in Flammen gesetzten Auto in einem offenem sowie in einem geschlossenen (unterirdischen) Parkhaus ausgeht, und ein Modell zu entwickeln, das die Weiterleitung der Wärmeenergie in das Tragwerk und deren Auswirkungen dort beschrieb. Getestet, ausgewertet und katalogisiert wurden verschiedene Szenarien mit unterschiedlich vielen Fahrzeugen, abgestellt an unterschiedlichen Positionen gegenüber den tragenden Elementen eines Parkhauses.
Seitdem ist belegt, dass die maximale Wärmeentwicklung eines in Flammen geratenen Pkw nur einer kurzen Spitze gleicht, dass es über 20 Minuten dauert, bis die Wärme aus einem in Brand geratenen Pkw à la Ford Mondeo oder VW Passat ihr Maximum erreicht hat, dass ein solcher Wagen nach 70 Minuten vollständig verbrannt ist und das Überspringen des Feuers von einem in Brand geratenen Wagen dieser Bauart zu einem benachbarten zwölf bis fünfzehn Minuten dauert, je nach Luftzug. Sogar als im Centre Technique Industriel de la Construction Métallique in Maizières-les-Metz ein mit brennbaren Flüssigkeiten voll beladener Kleinlaster abgefackelt wurde, war die Wärmeentwicklung zwar verhältnismäßig stark, aber nach 25 Minuten beendet. In der Praxis aber wäre höchstwahrscheinlich inzwischen eine Sprinkleranlage zur Eindämmung des Feuers und – besonders wichtig – zur Kühlung der Gebäudestruktur aktiv geworden, beziehungsweise ein Alarm hätte die Feuerwehr zur Brandbekämpfung herbei gerufen. Ein Grund mehr für die Annahme, dass Frankreichs Brandschutzstandards für offene Parkhäuser, die davon ausgingen, ein solcher Bau könne eventuell nach einer Stunde einsturzgefährdet sein, zu streng waren.
Doch erst der in situ-Versuch durch ProfilArbed Research in dem eigens dafür gebauten Testparking in Vernon überzeugte die französischen Behörden; seitdem wurden auch im Hexagon mehrere Stahl-Parkhäuser gebaut.
Tests an Parkhäusern aber sind nur ein Teilaspekt der Brandforschung an Stahl- und Stahl-Beton-Gebäuden. ProfilArbed Research war zwischen 1994 und 2001 federführend bei mehreren von der EU-Kommission unterstützten Projekten zur Untersuchung des „natürlichen Feuers“ in anderen Gebäudetypen und zur Festlegung geeigneter Sicherheitsmaßnahmen. Wie rasch ein Brand sich ausbreitet und welche Energie dabei frei wird, wurde nicht nur am Computer simuliert, sondern auch in Labors mit verschiedenen „Brandlasten“ gestestet. Die Energiefreisetzung von gestapeltem Holz, brennbaren Flüssigkeiten, vollen Postsäcken, Polstermöbeln, Matratzen und Kunststoffschaum lieferte zum einen wichtige Erkenntnisse über die Brandentwicklung in den denkbar unterschiedlichsten Nutzbauten, von Wohnhäusern und Lagergebäuden über Hotelzimmer und Geschäfte bis hin zu Gemäldegalerien. Zum anderen konnten dank dieser Daten Sprinkleranlagen, aber auch die Stahlbaukonstruktionen optimiert werden: Der mit PROFILARBED-Trägern errichtete Cactus-Neubau am Escher Brillplatz etwa konnte dank des Naturbrandkonzepts aus unverkleidetem und somit sichtbarem Stahl ausgeführt werden. Hierzu wurden verschiedene Brandszenarien unter Naturbrandbedingungen durchgerechnet und auf die Struktur angesetzt. Es konnte bewiesen werden, dass die Stahlstruktur ei