TY - JOUR A1 - Sunder, S. A1 - Jauregui Rozo, Maria A1 - Deshpande, H. A1 - Neyer, A. A1 - Papaiya, V. A1 - Meinel, Dietmar A1 - Schartel, Bernhard A1 - Ruckdäschel, H. T1 - Char to the Rescue: Processing and Transfer of Flame-Retardant Epoxy Resins, Adjusting the Fire Behavior and Post-Fire Structural Integrity of Glass Fiber Composites N2 - Epoxy (EP) glass fiber reinforced composites (GFRCs) are extensively used in structural applications due to their excellent thermal and mechanical properties, but their inherent flammability limits fire-safe deployment. While numerous studies examine the flame retardancy of resins or individual composite systems, comprehensive studies evaluating simultaneous improvements in flame retardancy and post-fire mechanical integrity, specifically through prepreg processing, remain challenging. This study investigates the effectiveness and transferability of phosphorus-based flame retardant (FR) systems to diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) and EP novolac resin matrices and their corresponding bidirectional glass fiber composites via prepregs. The FRs are chosen based on varying modes of action: ammonium polyphosphate with inorganic silicate (APP/InSi) primarily acts in the condensed phase (CP), and aluminum diethyl phosphinate with zinc hydroxystannate (AldietPO2/ZHS) is known to demonstrate both gas-phase (GP) and CP activity. Fire residues are tailored to compensate for structural defects from fire exposure. EP novolac, with higher aromaticity and cross-linking, possesses better inherent flame resistance compared to DGEBA. The novolac composites containing AldietPO2/ZHS simultaneously showed the highest retention of flexural properties after fire exposure and the best fire safety index. The experimental values of the post-fire flexural properties in the composites calibrated damage parameters in two theoretical models. KW - Composites KW - DGEBA KW - Epoxy novolac KW - Post-fire KW - Prepregs PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-643752 DO - https://doi.org/10.1002/pol.20250692 SN - 2642-4169 SN - 2642-4150 VL - 63 IS - 20 SP - 4295 EP - 4309 PB - Wiley AN - OPUS4-64375 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Rockel, Daniel A1 - Sanchez Olivares, G. A1 - Calderas, F. A1 - Schartel, Bernhard T1 - Two heads are better than one: Aluminum trihydroxide / phosphorous flame retardant combination in natural waste fiber biocomposites N2 - Future polymeric materials that replace fossil fuel-based engineering plastics demand the use of renewable sources as well as the implementation of key properties such as flame retardancy, processing, and mechanical properties. This study focuses on the combination of aluminum trihydroxide (ATH) and phosphorus-based flame retardants in compositable thermoplastic starch reinforced with sustainable multifunctional leather waste fibers. The flame retardants engender different flame-retardant modes of action, improving overall performance when combined. The partial substitution of ATH with phosphorous flame retardant allowed a reduction in flame retardant loading. Materials with 90 phr of ATH reached a limiting oxygen index of 31.5 vol.-% and a UL-94 rating of V-1, whereas the combination of 73 phr ATH and 7 phr of diphenyl ocytyl phosphate achieved a V-0 rating and a slightly reduced peak of heat release rate. This study demonstrates the potential of multicomponent systems implementing waste fiber–reinforced biocomposites. KW - Biocomposites KW - Flame retardancy KW - Phosphorous flame retardants KW - Synergism KW - Sustainability PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-639084 DO - https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2025.108938 SN - 0142-9418 SN - 1873-2348 VL - 150 SP - 1 EP - 17 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-63908 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Krebs, N. A1 - Demleitner, M. A1 - Albuquerque, R.Q. A1 - Schartel, Bernhard A1 - Ruckdäschel, H. T1 - Bayesian Optimization of flame-retardant performance in a high-Tg epoxy resin system N2 - Polymeric materials are widely used due to their mechanical properties and cost-effectiveness, but their inherent flammability requires effective flame-retardant additives to meet safety standards. Optimizing multicomponent flame-retardant formulations is challenging due to the vast experimental space. This study applies Bayesian Optimization (BO) to optimize flame-retardant formulations in high glass transition temperature (Tg) epoxy resins. Aluminum diethyl phosphinate (AlPi) was systematically combined with three synergists: zinc stannate (ZnSt), a silicone-based additive (DowSil), and low-melting glass frits (Ceepree). BO-guided experimental design expanded from 16 initial formulations to a total of 28, minimizing the Maximum Average Rate of Heat Emission (MARHE) under the constraint of Total Smoke Production (TSP) < 17 m2 using the epsilon-constraint method. BO revealed non-linear synergistic interactions: ZnSt significantly reduced smoke production while AlPi effectively lowered heat release. The optimized formulation (BO7) achieved the lowest MARHE (122 kW/m2) while maintaining acceptable smoke levels, establishing a new Pareto front. The results demonstrate the effectiveness of BO in accelerating the development of synergistic, halogen-free flame-retardant polymer systems, offering a scalable and sustainable approach to polymer formulation design. KW - Machine learning KW - Epoxy resin KW - Bayesian optimization KW - Flame retardancy KW - Cone calorimeter PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-641070 DO - https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2025.114210 SN - 0927-0256 SN - 1879-0801 VL - 260 SP - 1 EP - 9 PB - Elsevier AN - OPUS4-64107 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Neugum, Tim T1 - Application of the substructure method to assess the fire resistance of thermally restrained columns N2 - Usually, the fire resistance of load-bearing structural elements is determined by single members testing. A mechanical load is applied to the member in a force-controlled manner and is maintained constant throughout the fire test. After applying the mechanical load, the thermal exposure starts according to the ISO 834 fire curve. In this conventional test method, no interaction between the tested member and the entire building structure is considered. In buildings, the surrounding structure can restrain the thermal expansion of a member in case of fire. This may have both positive and negative effects on the fire resistance of this structural element. Several years ago, the Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE) at the University of Coimbra in Portugal and the Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) in Germany carried out fire tests on circular and square steel-reinforced concrete columns with restrained thermal expansion. BAM´s column test furnace allows the specimen to be subjected to thermal exposure and mechanical loading simultaneously. In addition, this device has a substructure test module, which can also provide restrained test conditions. In an ongoing research project at BAM and Technische Universität Braunschweig, the effect of restrained test conditions on the behaviour of steel-reinforced columns under fire exposure is further investigated. T2 - 8th International RILEM Workshop on Concrete Behaviour due to Fire Exposure CY - Krakow, Poland DA - 18.09.2025 KW - Substructure method KW - Surrounding structure KW - Fire resistance KW - Column KW - Concrete PY - 2025 AN - OPUS4-64584 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Neugum, Tim A1 - Stelzner, Ludwig A1 - Häßler, Dustin A1 - Zehfuß, Jochen A1 - Hothan, Sascha T1 - Application of the substructure method to assess the fire resistance of thermally restrained columns N2 - Usually, the fire resistance of load-bearing structural elements is determined by single members testing. A mechanical load is applied to the member in a force-controlled manner and is maintained constant throughout the fire test. After applying the mechanical load, the thermal exposure starts according to the ISO 834 fire curve. In this conventional test method, no interaction between the tested member and the entire building structure is considered. In buildings, the surrounding structure can restrain the thermal expansion of a member in case of fire. This may have both positive and negative effects on the fire resistance of this structural element. Several years ago, the Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE) at the University of Coimbra in Portugal and the Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) in Germany carried out fire tests on circular and square steel-reinforced concrete columns with restrained thermal expansion. BAM´s column test furnace allows the specimen to be subjected to thermal exposure and mechanical loading simultaneously. In addition, this device has a substructure test module, which can also provide restrained test conditions. In an ongoing research project at BAM and Technische Universität Braunschweig, the effect of restrained test conditions on the behaviour of steel-reinforced columns under fire exposure is further investigated. T2 - 8th International RILEM Workshop on Concrete Behaviour due to Fire Exposure CY - Krakow, Poland DA - 18.09.2025 KW - Substructure method KW - Surrounding structure KW - Fire resistance KW - Restrained columns KW - Concrete PY - 2025 SP - 1 EP - 2 AN - OPUS4-64582 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Covi, Patrick A1 - Tondini, Nicola A1 - Korzen, Manfred A1 - Lamperti Tornaghi, Marco T1 - Hybrid fire following earthquake testing of a steel braced frame N2 - The paper presents the results of an experimental-numerical analysis aimed at investigating the performance of passive fire protections applied to steel columns under fires following earthquake (FFE) scenarios. In particular, five FFE tests on columns belonging to a steel braced frame were performed at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, Federal Institute for Materials Research and Testing) by means of hybrid fire testing technique. In particular, an internal steel column of the ground floor belonging to a three-bay, four-storey concentrically braced steel building was tested, whilst the effect of the remainder of the structure was numerically simulated by means of an equivalent axial stiffness. Since the structure has a low degree of redundancy, the loss of a column can trigger global structural collapse. Two FFE tests were performed without any fire protection system and the other FFE tests were performed with three different fire protection solutions, i.e. conventional and seismic-resistant calcium silicate boards as well as vermiculite spray-based protection. Each column was firstly subjected to horizontal and vertical displacements resulting from seismic nonlinear time-history analysis performed on the numerical model of the case study. Then, the furnace was switched on and the ISO 834 standard fire curve was applied to the specimen. Numerical models were developed and calibrated on experimental data using different types of finite elements. The calibrated models with the presence of axial and rotational springs accurately captured the transition from pre- to post-buckling behavior. These findings highlight the importance of accurate modelling of the boundary conditions. Despite the fact, that seismic intensity was at life safety limit state, it was also found that the seismic damage of the fire protections was not high enough to hinder the fire performance of the fire protections. KW - Fire following earthquake KW - Concentrically braced steel frames KW - Fire protections KW - Numerical simulations KW - Experimental tests KW - Post-earthquake fire PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-645186 DO - https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.143731 SN - 0950-0618 VL - 496 SP - 1 EP - 22 PB - Elsevier CY - Oxford AN - OPUS4-64518 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Chacon Castro, Jose P. A1 - Schartel, Bernhard T1 - Translating Flame Retardant Strategies: Analogy from Polyolefins and Bisphenol A polycarbonates to Poly(limonene carbonate) N2 - Poly(limonene carbonate)—PLimC—offers a novel sustainable alternative to traditional polymers, as it is derived from renewable limonene and carbon dioxide as monomers. Proposing PLimC as a future technical polymer for applications in electrical and electronic (E&E) devices, construction, and transportation, PLimC must meet specific fire prevention standards to be deemed suitable. Starting from the chemical structure of PLimC, strategies in analogy to flame retarded bisphenol A polycarbonates (PC), PC blends, and polyolefins (PO) are investigated to identify the most effective route to enhance the flame resistance of PLimC. This study utilized four halogen-free flame-retardant (FR) systems: APP + pentaerythritol (standard intumescent system in PO), a phosphorus flame retardant+PTFE as anti-dripping agent (used in PC blends), metal hydroxide ATH (widely used in PO), and potassium sulfonate salt (specific solution for PC). Applying these FRs at typical PC, PC blends, and PO loadings, we aim to understand their effect on PLimC and evaluated the different flame-retardant routes. Our experimental evaluations focused on the thermal properties, flammability, and fire behavior of each system. ATH emerged as the most effective, reducing the effective heat of combustion from 29.3 MJ kg⁻¹ to 18.6 MJ kg⁻¹ and the total heat evolved from 95 to 55 MJ m⁻². It also resulted in an increase in the limiting oxygen index from 17.1 to 26 vol.-% O2, along with a UL 94 HB40 rating. The intumescent system also exhibited considerable flame retardancy, highlighting the similarity of PLimC’s fire behavior to that of PO rather than PC KW - Poly(limonene carbonate) KW - Flame retardancy KW - Sustainability KW - Intumescent systems KW - Metal hydroxides KW - Sulfonate salts KW - Phosphorus flame retardants PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-643257 DO - https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2025.111711 SN - 1873-2321 SN - 0141-3910 VL - 242 SP - 1 EP - 18 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-64325 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Neugum, Tim A1 - Stelzner, Ludwig A1 - Häßler, Dustin A1 - Zehfuß, Jochen A1 - Hothan, Sascha T1 - Berücksichtigung der Tragwerksumgebung bei Brandversuchen an Stahlbetonstützen N2 - Das Tragwerk eines Gebäudes ist aus einzelnen Bauteilen zusammengesetzt. Insbesondere bei lokalen Brandereignissen bauen sich durch die Ausdehnung der vom Brand betroffenen Bauteile gegen das umgebende kältere Gesamttragwerk Zwangsbeanspruchungen auf. Bei konventionellen Brandprüfungen werden diese Zwangsbeanspruchungen in der Regel nicht berücksichtigt, da die Prüfsystematik auf Einzelbauteilprüfungen bei konstanter mechanischer Last ausgelegt ist. Die Prüfung komplexer, realmaßstäblicher Tragwerke ist oftmals nicht möglich. Die Interaktion des Einzelbauteils mit dem umgebenden Tragwerk kann sich sowohl positiv als auch negativ auf den Feuerwiderstand auswirken. Als nachteilig ist der thermische Zwang und die daraus resultierende Lasterhöhung zu nennen. Gleichzeitig kann eine Stauchung der Stütze zu einer Umlagerung von Kräften in das umgebende Tragwerk führen und damit den Versagenszeitpunkt der Stütze verzögern. Mit Hilfe der Substrukturtechnik kann das Verhalten einer Stütze im Brandfall unter Berücksichtigung der Interaktion mit dem umgebenden Tragwerk analysiert werden. In einem gemeinsamen DFG-Vorhaben der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig werden 14 Stahlbetonstützen mit freier und behinderter axialer Ausdehnung untersucht. Auf Basis eines realen Gebäudes werden unter anderem die Steifigkeit, welche das umgebende Tragwerk repräsentiert, der Lastausnutzungsgrad und die Brandeinwirkung variiert. Mit dem Ziel das Stützenverhalten unter thermischem Zwang im Detail zu analysieren, erfolgen Brandversuche und numerische Simulationsberechnungen. Dabei werden die erforderlichen mechanischen Materialeigenschaften des Betons bei erhöhten Temperaturen aus experimentellen Daten abgeleitet. Der Beitrag liefert einen Einblick in die experimentellen und numerischen Ergebnisse. Es zeigt sich, dass die behinderte axiale Ausdehnung und die Möglichkeit einer Lastumlagerung bei Stauchung der Stütze einen erheblichen Einfluss auf das Versagen im Brandfall haben. Die mittels Substrukturtechnik erzeugte Zwängung des umgebenden Tagwerks führt zu einem Anstieg der Axialkraft in der Stütze sowie einer Abnahme der maximalen Stützenausdehnung. Gleichzeitig setzt die Stauchung der Stütze früher ein. Wird eine Stütze-Tragwerk-Interaktion auch für den Stauchungsbereich der Stütze angesetzt, kann der Vorteil einer Lastumlagerung genutzt werden. Somit kann trotz einer höheren mechanischen Belastung während der Ausdehnungsphase der Stütze ein späterer Versagenszeitpunkt als bei einer konventionell geprüften Stütze erreicht werden. T2 - Symposiums Heißbemessung – Structural Fire Engineering 2025 CY - Braunschweig, Germany DA - 29.09.2025 KW - Substrukturtechnik KW - Stahlbetonstützen KW - Feuerwiderstand KW - Stützenbrandversuche KW - Numerik PY - 2025 SP - 38 EP - 52 PB - TU Braunschweig AN - OPUS4-64581 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Neugum, Tim T1 - Berücksichtigung der Tragwerksumgebung bei Brandversuchen an Stahlbetonstützen N2 - Das Tragwerk eines Gebäudes ist aus einzelnen Bauteilen zusammengesetzt. Insbesondere bei lokalen Brandereignissen bauen sich durch die Ausdehnung der vom Brand betroffenen Bauteile gegen das umgebende kältere Gesamttragwerk Zwangsbeanspruchungen auf. Bei konventionellen Brandprüfungen werden diese Zwangsbeanspruchungen in der Regel nicht berücksichtigt, da die Prüfsystematik auf Einzelbauteilprüfungen bei konstanter mechanischer Last ausgelegt ist. Die Prüfung komplexer, realmaßstäblicher Tragwerke ist oftmals nicht möglich. Die Interaktion des Einzelbauteils mit dem umgebenden Tragwerk kann sich sowohl positiv als auch negativ auf den Feuerwiderstand auswirken. Als nachteilig ist der thermische Zwang und die daraus resultierende Lasterhöhung zu nennen. Gleichzeitig kann eine Stauchung der Stütze zu einer Umlagerung von Kräften in das umgebende Tragwerk führen und damit den Versagenszeitpunkt der Stütze verzögern. Mit Hilfe der Substrukturtechnik kann das Verhalten einer Stütze im Brandfall unter Berücksichtigung der Interaktion mit dem umgebenden Tragwerk analysiert werden. In einem gemeinsamen DFG-Vorhaben der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig werden 14 Stahlbetonstützen mit freier und behinderter axialer Ausdehnung untersucht. Auf Basis eines realen Gebäudes werden unter anderem die Steifigkeit, welche das umgebende Tragwerk repräsentiert, der Lastausnutzungsgrad und die Brandeinwirkung variiert. Mit dem Ziel das Stützenverhalten unter thermischem Zwang im Detail zu analysieren, erfolgen Brandversuche und numerische Simulationsberechnungen. Dabei werden die erforderlichen mechanischen Materialeigenschaften des Betons bei erhöhten Temperaturen aus experimentellen Daten abgeleitet. Der Beitrag liefert einen Einblick in die experimentellen und numerischen Ergebnisse. Es zeigt sich, dass die behinderte axiale Ausdehnung und die Möglichkeit einer Lastumlagerung bei Stauchung der Stütze einen erheblichen Einfluss auf das Versagen im Brandfall haben. Die mittels Substrukturtechnik erzeugte Zwängung des umgebenden Tagwerks führt zu einem Anstieg der Axialkraft in der Stütze sowie einer Abnahme der maximalen Stützenausdehnung. Gleichzeitig setzt die Stauchung der Stütze früher ein. Wird eine Stütze-Tragwerk-Interaktion auch für den Stauchungsbereich der Stütze angesetzt, kann der Vorteil einer Lastumlagerung genutzt werden. Somit kann trotz einer höheren mechanischen Belastung während der Ausdehnungsphase der Stütze ein späterer Versagenszeitpunkt als bei einer konventionell geprüften Stütze erreicht werden. T2 - Symposiums Heißbemessung – Structural Fire Engineering 2025 CY - Braunschweig, Germany DA - 29.09.2025 KW - Substrukturtechnik KW - Stahlbetonstützen KW - Feuerwiderstand KW - Stützenbrandversuche KW - Numerik PY - 2025 AN - OPUS4-64583 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Eiz Eddin, Ahmad T1 - Tragfähigkeit und Abplatzverhalten von Carbonbeton bei hohen Temperaturen N2 - Zur Bewertung der Biegetragfähigkeit dünnwandiger, carbonbewehrter Betonbauteile unter Temperatureinfluss wurden 4-Punkt-Biegeversuche in drei thermischen Konfigurationen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Raumtemperatur kein signifikanter Einfluss der Vorspannung auf die Bruchkraft vorliegt. Mit steigender Temperatur nimmt die Biegetragfähigkeit infolge des Festigkeitsverlustes von Beton und Carbonbewehrung sowie durch das Schmelzen der Tränkungsmatrix deutlich ab. Zwei Versagensmechanismen konnten identifiziert werden, d.h. Zugversagen bei hoher Vorspannung und Verbundversagen bei niedriger Vorspannung. Die Abnahme der Verbundfestigkeit ist auf das Erweichen der Tränkungsmatrix bei Überschreitung der Glasübergangstemperatur zurückzuführen. Bei Temperaturen oberhalb von etwa 200 °C ist keine Tränkungsmatrix und daraus resultierende Verbundwirkung mehr vorhanden. Darüber hinaus wurden im Rahmen von Abplatzversuchen drei Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Betonabplatzungen im Brandfall untersucht, d.h. reaktives Brandschutzsystem (RBS), zementgebundene Brandschutzplatten sowie Zugabe von Polypropylenfasern (PP-Fasern) zur Betonmischung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Typ des Carbongeleges die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen beeinflusst. Während die Zugabe von PP-Fasern das Abplatzen bei beiden untersuchten Gelegetypen verhindern konnte, war dies bei RBS und Brandschutzplatten nur bei einem Gelegetyp erfolgreich. Die Ursache der Abplatzungen ist auf das temperaturbedingte Schmelzen und die damit einhergehende Volumenzunahme der im Gelege Q85 vorhandenen Hilfsfäden zurückzuführen. Dies führt zu einer Rissbildung parallel zur brandbeanspruchten Betonoberfläche. Der Dampfdruck im Beton ist trotz reduzierter Erwärmungsgeschwindigkeit zu hoch, weshalb es zum Abplatzen kommt. Im Gegensatz dazu bewirkt das Schmelzen der PP-Fasern eine Erhöhung der Permeabilität des Betons. Dadurch kann der entstehende Wasserdampf frühzeitig entweichen, sodass der Dampfdruck unterhalb der kritischen Schwelle bleibt, die für das Abplatzen erforderlich wäre. T2 - Symposium Heißbemessung 2025 CY - Braunschweig, Germany DA - 29.09.2025 KW - Carbonbeton KW - Biegetragfähigkeit KW - Abplatzverhalten PY - 2025 AN - OPUS4-64883 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -