Rechenbeispiel: Montagehalle mit Lagerbühne

Ein Betrieb montiert Geräte und plant dafür eine Halle von 40 m × 60 m. Über einem Drittel der Fläche soll eine Stahlbühne die Kleinteile aufnehmen, 800 m² groß, auf vier Metern Höhe. Eine alltägliche Planung.

Wir rechnen das Beispiel Schritt für Schritt durch, mit einer Brandlastberechnung nach DIN 18230 und dem Abgleich mit der Muster-Industriebau-Richtlinie (MIndBauRL). Die Zwischenwerte stehen im Text, damit Sie jeden Schritt nachvollziehen können.

Die Halle

Die Halle ist eingeschossig, 60 m lang, 40 m breit und bis unter das Dach 8 m hoch. Das ergibt 2.400 m² Grundfläche. Am Westgiebel steht über die ganze Hallenbreite eine offene Lagerbühne aus Stahl, 20 m tief, also 800 m². Ihr Belag liegt auf +4,00 m, ihre Unterkante auf +3,60 m. Darunter wird vormontiert, im übrigen Hallenteil montiert, verpackt und versandt.

Der Betrieb hat keine Brandmeldeanlage, keine Löschanlage und keine Werkfeuerwehr, laut MIndBauRL also die Sicherheitskategorie K 1.

Im Brandfall kann Wärme über diese Öffnungen abziehen:

Die Rauchabzugsgeräte folgen aus der MIndBauRL selbst. Für Hallen mit Ebenen nennt Abschnitt 5.7.2.1 als Regelbeispiel mindestens ein Gerät je 400 m² Dachfläche und zusammen mindestens 1,5 m² aerodynamisch wirksame Fläche je 400 m² Abschnittsfläche. Bei 3.200 m² Abschnittsfläche (Halle und Bühne) sind das 12 m², zum Beispiel acht Geräte mit je mindestens 1,5 m² wirksamer Fläche, wie hier angenommen.

Warum das Tabellenverfahren hier nicht anwendbar ist

Zuerst die Frage, was die Bühne brandschutztechnisch ist. Als Einbau, also als begehbares Bauteil ohne brandschutztechnische Bemessung (3.9), darf sie bei K 1 höchstens 400 m² groß sein (Tabelle 1); mehrere Einbauten dürfen zusammen höchstens 25 % der Grundfläche einnehmen (5.5), hier 600 m². Ein Geschoss wäre sie nur mit einer raumabschließenden Geschossdecke (3.7). Unsere offene Bühne mit 800 m² ist beides nicht. Sie ist eine Ebene: ein Bereich auf eigener Höhe, abgetrennt durch eine Decke, deren Standsicherheit brandschutztechnisch bemessen sein muss (3.8). Ihre Fläche zählt zum Brandbekämpfungsabschnitt hinzu, der damit 2.400 + 800 = 3.200 m² groß ist.

Damit lässt sich nicht nach MIndBauRL Abschnitt 6 verfahren. Abschnitt 6.1.2 schließt Geschosse mit Ebenen aus, für sie lässt sich der Brandschutz ohne Brandlastermittlung nicht führen. Ohne Berechnung müsste der Bauherr die Bühne auf höchstens 400 m² verkleinern oder in Einbauten mit 5 m breiten brandlastfreien Streifen dazwischen aufteilen, zusammen höchstens 600 m². Dann wären bei 2.400 m² nach Tabelle 2 alle tragenden und aussteifenden Bauteile der Halle feuerhemmend auszuführen, das Haupttragwerk des Daches eingeschlossen (6.3.1); die Einbauten selbst blieben unbemessen. Oder er baut die Bühne zur Geschossdecke aus, dann verlangt Tabelle 2 bei zwei Geschossen und 2.400 m² feuerbeständige Bauteile aus nichtbrennbaren Baustoffen.

Wir gehen den Weg, den die MIndBauRL in Abschnitt 7 vorsieht: die Brandlastberechnung.

Die Brandlastberechnung in sechs Schritten

Abschnitt 7 benötigt eine Brandlastberechnung, um zu wissen, wie stark ein Brand in genau dieser Halle auf die Bauteile wirkt. Diese Größe liefert die DIN 18230 als äquivalente Branddauer t_ä. Die MIndBauRL leitet daraus die zulässige Fläche (7.4) und die Anforderung an jedes tragende Bauteil (Tabelle 6) ab.

Weil die Halle eine Ebene hat, rechnet die DIN 18230 nicht nur einmal für den ganzen Abschnitt, sondern zusätzlich für jede Ebene einzeln (4.1.4). Ebene 1 ist der Hallenboden mit 2.400 m², Ebene 2 die Bühne mit 800 m².

Schritt 1: die Brandlasten

Zuerst wird erfasst, was brennen kann, Ebene für Ebene. Stahl und Guss zählen nicht, wohl aber alles Brennbare an und neben den Maschinen: Holz, Verpackung, Kunststoff, Kabel, Öle und Fette. Jede Masse wird mit ihrem Heizwert multipliziert, also mit der Energie, die ein Kilogramm beim Verbrennen freisetzt. Der m-Faktor aus DIN 18230-3 bewertet danach das Abbrandverhalten des Stoffs in seiner Lagerform. Bei Kabeln zählt nur die brennbare Masse, also die Isolierung. Zur Brandlast gehören auch brennbare Baustoffe von Bauteilen (DIN 18230, 6.4.4). Wände und Tore sind hier mit Mineralwolle gedämmt, die Fensterrahmen aus Aluminium. Das Dach ist ein Stahltrapezblechdach nach DIN 18234 mit Mineralwolle; seine Abdichtung bleibt nach DIN 18230 unberücksichtigt, solange die äquivalente Branddauer 15 min nicht überschreitet (6.4.2 d), für den Abschnitt sind es hier 12,61 min. Brennbar bleiben von der Hülle die Lichtbänder aus Acrylglas, doppelschalig mit rund 7 kg/m². Ihre Brandlast setzen wir bei der Bühne an, der obersten Ebene, der Brala auch die Dachöffnungen zuordnet.

Die Heizwerte für Holz und Pappe stammen aus der Datenbank ProBas des Umweltbundesamts (15,6 und 14,0 MJ/kg), die übrigen Werte samt m-Faktor aus DIN 18230-3. Nennt die Tabelle der Norm eine Lagerform nicht, wird m von vergleichbaren Stoffen abgeleitet, bis 4,5 m Lagerguthöhe aber mindestens mit 1,0 (DIN 18230-3). Wir setzen für die Paletten, die Kleinteile in Kartons und die Kabel auf Rollen 1,0 an. Für Acrylglas nennt die Tabelle nur den Heizwert, damit gilt auch dort 1,0. Für flach gestapelte Faltkartons nennt sie m = 0,4; wir bleiben vorsichtig bei 1,0. Rechnet man die Kleinteil-Kartons wie leere, gestapelte Kartons mit m = 1,8, ändert sich am Ergebnis nichts.

Hallenboden (Ebene 1, 2.400 m²)

Lagerbühne (Ebene 2, 800 m²)

Entscheidend ist nicht, wie viel insgesamt brennt, sondern wie dicht. Deshalb wird die Brandlast auf die Fläche der Ebene verteilt. Brala schlägt dabei standardmäßig 25 % auf. Dieser Sicherheitszuschlag ist ein Vorschlag von Brala, keine Forderung der DIN 18230, und lässt sich abschalten; wir rechnen mit ihm. So ergibt sich die rechnerische Brandbelastung q_R:

• Hallenboden: 44.002 kWh × 1,25 / 2.400 m² = 22,9 kWh/m²
• Bühne: 37.476 kWh × 1,25 / 800 m² = 58,6 kWh/m²

Die Bühne hat je Quadratmeter also eine mehr als doppelt so hohe Brandlast wie der Hallenboden.

Schritt 2: der Wärmeabzug

Wie lange ein Brand die Bauteile beansprucht, hängt auch davon ab, wie viel Wärme entweichen kann. Die DIN 18230 fasst das im Wärmeabzugsfaktor w zusammen. Er sinkt, je mehr Öffnungen im Dach und in den Wänden im Verhältnis zur Fläche vorhanden sind, und er hängt von der Raumhöhe ab. Die Öffnungen gehen als Anteile der Fläche ein: a_h für die horizontalen im Dach oder in der Decke darüber, a_v für die vertikalen in den Wänden. Aus beiden ermittelt die Norm zuerst einen Grundwert w₀ (über einen Hilfsfaktor β_w), dann aus der Höhe einen Faktor α_w, und aus beiden w.

Tore, Verglasungen und Lichtbänder geben wir mit ihrem Rohbaumaß an. Davon zählen nach DIN 18230 vereinfacht 85 % als Öffnung (8.2). Isolierglas zählt bei einer Branddauer unter 15 min zusätzlich nur zu 35 %, Rauchabzugsgeräte zählen mit ihrer freien Öffnung voll.

Für die Bühne ist die Sache einfach. Sie ist die oberste Ebene, über ihr liegt das Dach. Brala rechnet ihr alle Öffnungen im Dach und im oberen Fensterband F2 zu, weil über der Bühnenebene der ganze Hallenraum bis unter das Dach liegt: 20 m² Rauchabzug und 170 m² Lichtband, zusammen 190 m² auf 800 m². Bei 4,00 m Höhe bis unter das Dach ergibt sich w = 0,56.

Beim Hallenboden liegt die Schwierigkeit dieses Beispiels. Über zwei Dritteln seiner Fläche steht keine Bühne, sondern der offene Hallenraum bis unter das Dach. Wir behandeln diese 1.600 m² wie eine große Öffnung in der Decke über dem Hallenboden; DIN 18230 lässt in den Decken von Ebenen Öffnungen beliebiger Größe zu (3.4). Solche Öffnungen dürfen aber nur mit der Fläche zählen, die auch im Dach darüber zur Verfügung steht (Anhang B.1). Und bei mehreren Ebenen geht die Norm nicht davon aus, dass ein Brand am Hallenboden die Abschlüsse im Dach rechtzeitig zerstört (Anhang B.2). Für den Hallenboden zählen deshalb nur Dachöffnungen, die frühzeitig offen sind oder geöffnet werden: die 20 m² der Rauchabzugsgeräte, nicht die Lichtbänder. Gleichmäßig verteilt sind die Öffnungen auch nicht, unter der Bühne liegt auf 800 m² keine einzige Deckenöffnung. Für diesen Fall lässt die Norm als Näherung zu, die Fläche zusätzlich mit dem Faktor 0,8 abzumindern (Anhang B.2). Für den Hallenboden bleiben 16 m², also a_h = 0,007.

In den Wänden des Hallenbodens liegen die Tore und das untere Fensterband F1. Von den Toren zählen 42 m² × 0,85 = 35,70 m², vom Isolierglas 120 m² × 0,85 × 0,35 = 35,70 m², zusammen a_v = 0,030. Als Höhe nehmen wir für den ganzen Hallenboden die lichte Höhe unter der Bühne, 3,60 m, obwohl zwei Drittel der Fläche bis 8 m offen sind. Das liegt auf der sicheren Seite. Ergebnis: β_w = 24,85, w₀ = 2,10, α_w = 1,17 und w = 2,46.

Der Wert ist mehr als viermal so hoch wie auf der Bühne. So gerechnet bestimmt nicht die dicht belegte Bühne mit höherer Brandlast die Rechnung, sondern der Hallenboden: Die Norm rechnet ihm kaum Dachöffnungen an, und wir setzen seine Höhe konservativ mit 3,60 m an.

Schritt 3: die äquivalente Branddauer

Nun lässt sich die äquivalente Branddauer ausrechnen. Sie übersetzt den Brand in der Halle in Minuten des Normbrands, mit dem Bauteile geprüft werden:

t_ä = q_R · c · w

c ist der Umrechnungsfaktor für die Umfassungsbauteile. Wir rechnen mit 0,25 min·m²/kWh, dem höchsten Wert, den die DIN 18230 dafür vorsieht.

• Hallenboden: 22,9 × 0,25 × 2,46 = 14,08 min
• Bühne: 58,6 × 0,25 × 0,56 = 8,20 min

Für den ganzen Abschnitt darf die DIN 18230 hier das flächengewichtete Mittel der Ebenen ansetzen, weil die Brandbelastung auf keiner Ebene im Mittel über 60 kWh/m² liegt (4.1.2): (14,08 min × 2.400 m² + 8,20 min × 800 m²) / 3.200 m² = 12,61 min. Wäre das Mittel nicht zulässig, setzte Brala vorsichtig das Maximum von 14,08 min an; am Ergebnis ändert das nichts.

Für die Bühne allein ergäben sich also gut acht Minuten. Allerdings heißt es: Liegt die Branddauer einer Ebene über dem Wert für den ganzen Abschnitt und hat die Decke darüber große Öffnungen, gilt die höhere Branddauer auch für die Ebene darüber (4.1.4). Die Öffnung zwischen Hallenboden und Bühne umfasst zwei Drittel der Fläche, weit mehr als die 20 %, ab denen die Norm die volle Übertragung verlangt. Für die Bühne gelten deshalb ebenfalls 14,08 min.

Schritt 4: die erforderliche Feuerwiderstandsdauer

Aus der äquivalenten Branddauer wird nun für jede Gruppe von Bauteilen eine erforderliche Feuerwiderstandsdauer:

erf t_F = t_ä · γ · α_L

γ ist der Sicherheitsbeiwert. Er hängt davon ab, wie wichtig ein Bauteil für die Standsicherheit ist, ausgedrückt in den Brandsicherheitsklassen SKb3, SKb2 und SKb1, und er wächst mit der Fläche des Abschnitts. Für Abschnitte mit mehreren Geschossen oder Ebenen gilt eine eigene, höhere Spalte. Für 3.200 m² ergeben sich γ = 1,278 für SKb3, 0,928 für SKb2 und 0,528 für SKb1 (DIN 18230, Tabelle 2, interpoliert). Zum Vergleich: Dieselbe Halle ohne Ebene, also mit 2.400 m² Abschnittsfläche, käme bei SKb3 auf 1,00.

α_L berücksichtigt Brandmeldung und Brandbekämpfung. Ohne Brandmeldeanlage, Löschanlage und Werkfeuerwehr ist er hier 1,0.

Maßgebend ist die Branddauer von 14,08 min, die für Hallenboden und Bühne gilt. Brala rundet das Ergebnis auf eine Nachkommastelle auf:

• SKb3: 14,08 × 1,278 = 18,0 min
• SKb2: 14,08 × 0,928 = 13,1 min
• SKb1: 14,08 × 0,528 = 7,5 min

Schritt 5: der Bereich unter der Bühne

Eine Stelle verdient einen eigenen Blick: der Hallenboden unter der Bühne. Über diesen 800 m² liegt keine Öffnung, die Bühne deckt sie ab. Weicht der Wärmeabzug auf einer Teilfläche, die mindestens ein Viertel der Fläche umfasst, so stark vom Mittel ab, verlangt die DIN 18230 eine eigene Rechnung für diese Teilfläche (5.4.2, 4.1.5). Hier ist das der Fall: a_h,T = 0 liegt unter der Hälfte des mittleren Werts von 0,007.

Die Brandlast verteilen wir gleichmäßig, unter der Bühne liegt also ein Drittel der Ware des Hallenbodens, q_R,T = 22,9 kWh/m². Ohne Öffnung darüber bleibt nur der Wärmeabzug über die Wände (a_v = 0,030). Brala ermittelt w₀ = 2,32, α_w = 1,17 und w_T = 2,71, also t_ä,T = 22,9 × 0,25 × 2,71 = 15,51 min. Mit denselben Sicherheitsbeiwerten:

• SKb3: 15,51 × 1,278 = 19,9 min
• SKb2: 15,51 × 0,928 = 14,4 min
• SKb1: 15,51 × 0,528 = 8,2 min

Für die Bauteile im Bereich der Bühne sind diese Werte maßgebend.

Schritt 6: zurück zur MIndBauRL

Mit diesen Werten geht es zurück in Abschnitt 7 der MIndBauRL. Die zulässige Fläche nach 7.4 prüft Brala selbst. Für die Bauteile liefert Brala die erforderliche Feuerwiderstandsdauer je Brandsicherheitsklasse und benennt sie nach DIN 18230, also feuerhemmend, hochfeuerhemmend oder feuerbeständig. Welche Anforderung daraus für das einzelne Bauteil und seine Baustoffe folgt, steht in Tabelle 6 der MIndBauRL und wird dort nachgeschlagen; welches Bauteil in welche Klasse gehört, entscheidet die Planung.

Erstens, die Fläche (7.4). Die MIndBauRL bewertet jede Ebene mit zwei Faktoren: F_H für ihre Höhe über dem Gelände, F_A für die Gefahr, dass sich ein Brand über ihre Öffnungen nach oben ausbreitet. Die Summe der bewerteten Flächen darf den zulässigen Wert aus Tabelle 5 nicht überschreiten:

A_G · F_H1 · F_A1 + Σ A_Ei · F_Hi · F_Ai ≤ zul A_bew

Der Hallenboden zählt einfach: 2.400 × 1,0 × 1,0 = 2.400 m². Die Bühne liegt 4 m über dem Gelände. Zwischen F_H = 1,0 bei 0 m und 1,1 bei 5 m interpoliert ergibt das F_H = 1,08 (Tabelle 3). Ihre Öffnung zum Hallenraum hat keinen Verschluss, F_A = 1,7 (Tabelle 4). Das ergibt 800 × 1,08 × 1,7 = 1.468,8 m², zusammen 3.868,8 m². Tabelle 5 erlaubt bei K 1 und 15 min Branddauer 20.000 m². Für 12,61 min lesen wir konservativ die Spalte 15 min ab, statt zu interpolieren. Auch die zweite Grenze hält: Keine Ebene ist größer als 75 % des zulässigen Werts. Die Fläche ist bei dieser Halle kein Thema.

Zweitens, die Bauteile (Tabelle 6). Hier entscheidet sich, wie gebaut werden muss.

Wie gebaut werden muss

Die Einordnung der Bauteile in die Brandsicherheitsklassen steht in Abschnitt 7.2 der MIndBauRL, und wir ordnen folgendermaßen ein: Die ganze Bühne steht in SKb3, obwohl ein nicht aussteifender Belag nach 7.2.2 a auch in SKb2 fallen könnte. Auch die Hallenstützen stehen in SKb3. Tragen sie nur das Dach, kommen sie als Unterstützung des Dachtragwerks auch für SKb2 in Frage (7.2.2 b) und blieben dann mit höchstens 14,4 min ohne Anforderung. Das entscheidet das Tragwerk, nicht die Brandlast. Für die Dachbinder ist die Einordnung unkritisch: Selbst wenn ihr Versagen das übrige Dach mitreißen könnte und sie damit in SKb2 fielen, blieben sie mit höchstens 14,4 min ohne Anforderung.

Für den Bau heißt das: Die Hallenstützen und die Stahlkonstruktion der Bühne müssen feuerhemmend sein, also 30 Minuten halten, etwa mit einer Brandschutzbeschichtung oder Bekleidung. Die Dachbinder bleiben ohne Schutz, und die Bühne behält ihre 800 m². Ohne Berechnung wäre für diese Bühne nur der Ausbau zur Geschossdecke geblieben, mit feuerbeständigen Bauteilen aus nichtbrennbaren Baustoffen. Feuerhemmend statt feuerbeständig: Das ist der Unterschied, den die Berechnung hier macht.

Nach Fußnote 1 zu Tabelle 6 dürfte die Bühne übrigens auch aus Holz sein, weil die Halle nach MIndBauRL ein Geschoss mit einer Ebene ist. Das Holz gehört dann aber in die Brandlast, und die Anforderung kann dadurch über feuerhemmend steigen; das wäre neu zu rechnen.

Annahmen und Hinweise

• Die Brandlasten sind angenommen und gleichmäßig verteilt. In einem echten Projekt kommen Stoffe, Mengen, Lagerformen, Heizwerte und m-Faktoren aus der Bestandsaufnahme vor Ort. Konzentrierte Lager, etwa ein Palettenstapel im Versand, wären nach DIN 18230 zusätzlich als Teilfläche zu betrachten (4.1.5).
• Abschnitt 5 der MIndBauRL gilt auch hier. Löschwasser, Rettungswege, Zugänglichkeit für die Feuerwehr und die Rauchableitung über die Dimensionierung der Rauchabzugsgeräte hinaus sind nicht Teil dieses Beispiels. Für die Rettungswege der Bühne heißt das: Über 200 m² braucht sie zwei (5.6.2), und weil sie größer als 400 m² ist, darf nur der zweite über eine Treppe ohne Treppenraum führen (5.6.3, 5.6.9); der erste führt in der Regel über einen notwendigen Treppenraum. Grundriss und Schnitt zeigen die Treppen deshalb bewusst nicht.

Was Brala für Sie übernimmt

Brala rechnet die Halle in einem Durchgang, für den ganzen Abschnitt und je Ebene: Brandlasten je Ebene, die Begrenzung der Dachöffnungen für den Hallenboden, die Übertragung der Branddauer auf die Bühne, die Teilfläche unter der Bühne, die Sicherheitsbeiwerte für Abschnitte mit Ebenen, die zulässige Brandbekämpfungsabschnittsfläche nach MIndBauRL 7.4 und die erforderliche Feuerwiderstandsdauer je Brandsicherheitsklasse. Das Dokument gibt diesen Rechenweg mit seinen Zwischenwerten und Quellen aus.

Für solch eine Berechnung ist der Tarif „Ingenieur“ erforderlich.