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Reaktive Brandschutzsysteme
(2022)
Die Erkenntnisse zu reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) werden kontinuierlich erweitert, was sich in der Entwicklung neuer Produkte und der Ausweitung des durch technische Regelungen abgedeckten Anwendungsbereichs äußert. Der vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Verwendung von RBS auf Stahlkonstruktionen. Neben einer umfassenden Darstellung der aktuellen nationalen und europäischen Regelungen zu RBS, werden technologische Besonderheiten und deren Einfluss auf den Regelungsinhalt im Beitrag thematisiert. Dabei werden neben sich abzeichnenden Neuerungen auch die entsprechenden wissenschaftlich-technologischen Grundlagen dargelegt. Ferner wird die Frage nach der Bewertung der Dauerhaftigkeit von RBS für deutlich über 10 Jahre hinausgehende Zeiträume, und den sich damit einstellenden Feuerwiderstand der Konstruktion behandelt. Der Beitrag schließt mit einer Darstellung zur aktuellen Forschung. Daraus abgeleitet wird ein Ausblick auf zukünftige Forschungsthemen.
Um Stahlbauteile im Brandfall vor einer zu schnellen Erwärmung zu schützen, wird häufig auf reaktive Brandschutzsysteme (RBS) zurückgegriffen. Die Produkte eigenen sich besonders aufgrund der profilfolgenden Applikationsmöglichkeit und der vergleichsweise geringen Beschichtungsdicken. Bei einer Brandbeanspruchung schäumt das RBS auf und bildet eine thermische Schutzschicht um das Stahlprofil aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der temperaturbedingte Festigkeitsverlust verzögert, wodurch sich die Feuerwiderstandsdauer des Stahlbauteils verbessert. Aus Brandversuchen ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit von RBS auf Stahlprofilen mit gekrümmter Oberfläche meist schlechter ausfällt als bei vergleichbaren Bauteilen mit ebener Oberfläche. Zum Einfluss der Oberflächenkrümmung auf die thermische Schutzwirkung von RBS werden in dem folgenden Beitrag sowohl theoretische Hintergründe als auch die Ergebnisse aus Brandversuchen an kleinformatigen Probekörpern vorgestellt. Die systematischen Untersuchungen zeigen, dass mit zunehmender Oberflächenkrümmung die Leistungsfähigkeit des RBS tendenziell abnimmt. Bei der Beurteilung der thermischen Schutzwirkung eines RBS sollte die Oberflächenkrümmung eines Bauteils berücksichtigt werden. Die alleinige Fokussierung auf den Profilfaktor eines Stahlprofils ist im Allgemeinen nicht ausreichend. Die Untersuchungen bilden die Grundlage für die Entwicklung von Screening-Tests zur Beurteilung der Eignung von RBS für gekrümmte Oberflächen, wodurch eine Vorauswahl von Produkten für diesen Einsatzzweck ermöglicht wird.
Der Beitrag stellt experimentelle Untersuchungen zum Feuerwiderstand von Carbonzuggliedern vor. Die Anwendung von Zuggliedern aus Carbon ist durch die außergewöhnlich gute Ermüdungs- sowie hohe Zugfestigkeit des Werkstoffs motiviert. Ferner ergibt sich gegenüber Stahl eine deutliche Reduzierung des Querschnitts. Perspektivisch sollen damit Stahlzugglieder im Netzwerkbogenbrückenbau ersetzt werden. Durch die Materialsubstitution werden Ressourcen nicht nur beim Zugglied selbst, sondern auch am Gesamttragwerk der Brücke eingespart. Da zum Tragverhalten von Carbonzuggliedern im Brandfall bislang keine Erkenntnisse vorliegen, sollen mit Hilfe von Bauteilbrandversuchen die Versagensmechanismen sowie die grundsätzliche Gleichwertigkeit gegenüber konventionellen Stahlhängern untersucht werden.
Der Beitrag beschreibt die Durchführung und die Ergebnisse von Brandversuchen an mechanisch belasteten Carbonzuggliedern. Die realmaßstäblichen Versuche werden am unikalen Zugbauteil-prüfofen der BAM im Mai 2022 durchgeführt. Das Versuchsprogramm umfasst vier Carbonzugglieder mit kreisrunden Querschnitten in zwei verschiedenen Durchmessern, ⌀36 mm und ⌀51 mm. Aus Gründen der Vergleichbarkeit erfolgt die Brandbeanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK). Während des Brandversuches wird die axiale Prüfkraft von 750 kN bzw. 1500 kN bis zum Eintreten des Probenversagens konstant gehalten. Zusätzlich werden die Längsverformung sowie die Bauteil- und Brandraumtemperaturen aufgezeichnet.
In einem Vorversuch an einem unbelasteten Bauteilabschnitt eines Carbonzuggliedes konnte das Brand- und Erwärmungsverhalten des Verbundmaterials untersucht werden. Dabei zeigten sich Makrorisse und eine Zersetzung der Kunststoffmatrix sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit der Kohlenstofffasern. Durch das Fehlen der schützenden Matrix reagierten die Carbonfasern sensibel auf Querbeanspruchung. Dies führte zu einem Bruch und Ablösen der oberflächennahen Fasern.
Spannbeton-Hohlplatten (engl.: Hollow Core Slabs, HC-Platten) werden insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen als Deckensysteme im Hochbau eingesetzt. Bei einem 2007 aufgetretenen Brandereignis in einem Parkhaus in Rotterdam kam es zu einer teilweisen Ablösung des unteren Plattenspiegels. Dies hatte eine europaweite Diskussion zur brandschutztechnischen Bewertung dieser Bauart zur Folge. Mittlerweile liegen eine Vielzahl von gutachterlichen Stellungnahmen, Literaturauswertungen und auch jüngeren Forschungsarbeiten zum Feuerwiderstand von Konstruktionen aus Spannbeton-Hohlplatten vor. In den Untersuchungen wurde unter anderem das Tragverhalten von HC-Platten bei starrer Auflagerung, insbesondere hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit, analysiert. Ein weiterer, bei der Prüfung und Bewertung von Spannbeton-Hohlplatten bisher kaum beachteter Aspekt ist die im Brandfall auftretende Behinderung der Querdehnung. In der Praxis kann für HC-Platten eine Querdehnungsbehinderung im Brandfall auftreten, wenn beispielsweise eine sehr steife Begrenzung des brandbeanspruchten Deckenbereichs vorliegt, z. B. durch Treppenhauskerne oder auch durch umgebende Deckenfelder bei lokaler Brandbeanspruchung. Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurden an der BAM entsprechende experimentelle und numerische Untersuchungen an Deckenfeldern aus Spannbeton-Hohlplatten mit unterschiedlicher seitlicher Zwängung durchgeführt. Im Beitrag werden die im Realmaßstab durchgeführten Brandversuche ausführlich beschrieben und deren Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse vorgestellt. Die an der BAM durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einer Zunahme der seitlichen Zwängung die Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu- und die Längsrissbildung abnimmt. Trotz der ausgeprägten Horizontalrissbildung kam es in den Brandversuchen nicht zu- einer Ablösung des unteren Plattenspiegels. Ebenso zeigte sich kein negativer Einfluss der Horizontalrisse auf das Trag- und Verformungsverhalten der brandbeanspruchten Deckenkonstruktion. Die Ergebnisse aus den Brandversuchen stehen zukünftig zur Validierung numerischer Modelle zur Verfügung.
Reaktive Brandschutzsysteme können die Feuerwiderstandsdauer von Stahlbauteilen signifikant erhöhen. Im Brandfall schäumt das reaktive Brandschutzsystem auf und bildet um das Stahlbauteil eine thermische Schutzschicht aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der temperaturbedingte Festigkeitsverlust verzögert. Reaktive Brandschutzsysteme werden überwiegend in drei Bereichen angewendet: Hochbau, Offshore bzw. maritimer Sektor sowie Tank- bzw. Behälterbau. Insbesondere bei Stahltanks und -behältern sind häufig einfach oder auch doppelt gekrümmte Bauteiloberflächen anzutreffen. Aufgrund des meist begrenzten seitlichen Expansionsvermögens von reaktiven Brandschutzsystemen kann es bei Bauteilen mit konvexer Oberflächenkrümmung zu einer Intensivierung der Rissbildung im Schaum kommen, wodurch sich häufig die thermische Schutzwirkung verschlechtert. Da zum Thema des Einflusses der Oberflächenkrümmung auf die Leistungsfähigkeit reaktiver Brandschutzsysteme bisher kaum Untersuchungen vorliegen, wurden exemplarisch zwei Tankböden mit zwei verschiedenen Trockenschichtdicken eines reaktiven Brandschutzsystems einer Brandprüfung unterzogen. Bei gleicher Trockenschichtdicke des reaktiven Brandschutzsystems zeigten die Tankböden eine wesentlich schnellere Erwärmung als ebene Stahlplatten mit vergleichbarem Profilfaktor. Die Brandprüfungen und die Ergebnisse zum Einfluss der Oberflächenkrümmung werden im Beitrag ausführlich vorgestellt und diskutiert.
Die Erkenntnisse zu reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) werden kontinuierlich erweitert, was sich in der Entwicklung neuer Produkte und der Ausweitung des durch technische Regelungen abgedeckten Anwendungsbereichs äußert. Der hier vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Verwendung von RBS auf Stahlkonstruktionen. In den vergangenen zehn Jahren wurden, abgesichert durch neue Erkenntnisse aus der Forschung, die Anwendung auf Stahlzuggliedern mit offenem Profil präzisiert und im Rahmen allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassungen (abZ) neu geregelt. Ferner wurde die Grundlage geschaffen, die Anwendung von RBS auf Zuggliedern mit kreisrundem Vollprofil zu bewerten und auf Basis der abZ zu ermöglichen. Neben einer umfassenden Darstellung der aktuellen nationalen und europäischen Regelungen zu RBS, werden technologische Besonderheiten und deren Einfluss auf den Regelungsinhalt im Beitrag thematisiert. In der jüngsten Vergangenheit stellt sich mit zunehmender Dringlichkeit die Frage nach der Bewertung der Dauerhaftigkeit von RBS für lange Zeiträume, wobei damit Nutzungsdauern weit jenseits der in den nationalen und europäischen Regelungen bereits etablierten 10 Jahre gemeint sind. In diesem Zusammenhang ist zu klären, wie der Feuerwiderstand von Konstruktionen zu bewerten ist, die bereits über lange Zeiträume mit RBS versehen sind.
Im Stahlbau wird die feuerwiderstandserhöhende Wirkung reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) bereits seit Jahrzehnten erfolgreich und mit stetig wachsender Nachfrage genutzt. Die Anwendung dieser Systeme wird durch Zulassungen geregelt. Die Ermittlung des Beitrages reaktiver Brandschutzsysteme zur Feuerwiderstandsdauer von Stahlbauteilen wird in der Regel mit Hilfe von mechanisch belasteten und unbelasteten Brandversuchen beurteilt. Ein entsprechendes Prüf- und Bewertungsverfahren war bisher für Träger und Stützen, jedoch nicht für Zugglieder vorhanden. Mehrjährige Forschungen, haben in Deutschland zur Entwicklung eines neuen Prüf- und Bewertungsverfahrens geführt, so dass der durch Zulassungen geregelte Anwendungsbereich reaktiver Brandschutzsysteme auf filigrane Stahlzugglieder, insbesondere mit Vollprofil, erweitert werden konnte. Der Beitrag beschreibt die Besonderheiten und Herausforderungen für den Einsatz von reaktiven Brandschutzsystemen auf filigranen Stahlzuggliedern, die wesentlichen Einflussparameter sowie die maßgebenden Versagensmechanismen. Ferner wird gezeigt, wie anhand von Brandversuchen, Materialuntersuchungen im Hochtemperaturbereich und numerischen Simulationen das neue Prüf- und Bewertungsverfahren entwickelt, validiert und angewendet wurde. Abschließend erfolgt ein Ausblick auf noch zu untersuchende Fragestellungen, z. B. hinsichtlich der Bauteilorientierung sowie zum Umgang mit den Anschlussbauteilen von Stahlzuggliedern.
Zur brandschutztechnischen Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen werden reaktive Brandschutzsysteme aufgrund der geringen Beschichtungsdicken und der profilfolgenden Applikation in zunehmendem Maße eingesetzt. Da die für Zugstabsysteme eingesetzten Bauteile meist eine stark konvex gekrümmte Oberfläche aufweisen und der Anschlussbereich über eine vergleichsweise komplexe Geometrie verfügt, stellt dies besonders hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von reaktiven Brandschutzsystemen. Anhand von realmaßstäblichen Brandversuchen wurden das Aufschäumungs- und Rissverhalten, der Einfluss der Trockenschichtdicke, die Erwärmung der einzelnen Stahlbauteile sowie der Einfluss der Bauteilorientierung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Abnahme der Oberflächenkrümmung oder eine Erhöhung der Massenkonzentration der Stahlbauteile zu einer geringeren Aufheizrate des Stahls führt. Darüber hinaus ist festzustellen, dass die Leistungsfähigkeit des reaktiven Brandschutzsystems von der Bauteilorientierung der Zugstabsysteme beeinflusst wird. Die durchgeführten Brandversuche können zur Entwicklung geeigneter Prüfszenarien für die Beurteilung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Zugstabsystemen und deren Anschlusskonstruktionen verwendet werden, wodurch eine Erweiterung des zulassungsbasierten Anwendungsbereichs ermöglicht wird.
Der Beitrag beschreibt die Entwicklung eines neuartigen in situ Nachweisverfahrens zur Beurteilung des Feuerwiderstandes von bestehenden Stahlkonstruktionen mit gealtertem reaktivem Brandschutzsystem (RBS). Derzeit ist ein solcher Nachweis ausschließlich anhand eines Bauteilbrandversuchs möglich. Hierzu muss ein Bauteil aus der Bestandskonstruktion entnommen und einer zerstörenden Brandprüfung unterzogen werden. In Zusammenhang mit der Dauerhaftigkeitsbewertung von RBS für Zeiträume von mehr als 10 Jahren besteht in der Praxis vermehrt der Bedarf an einem minimal invasiven Prüfverfahren, mit dessen Hilfe sich direkt am Bestandsbauwerk die tatsächlich vorhandene Leistungsfähigkeit des gealterten RBS überprüfen lässt. Durch einen erfolgreichen Funktionsnachweis wäre eine Weiternutzung der Bestandkonstruktion bei Aufrechterhaltung des bestehenden Sicherheitsniveaus möglich.
Im Rahmen des Forschungsprojektes IGF 20470N wurden Untersuchungen zum Alterungsverhalten von reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) auf Stahlbauteilen durchgeführt. Mithilfe der Ergebnisse einer umfangreichen Literaturrecherche sowie experimentellen und numerischen Untersuchungen sollte ein Vorschlag für ein Prüfkonzept zum Nachweis einer Nutzungsdauer von RBS von mehr als 10 Jahren auf Basis von Kurzzeitversuchen abgeleitet werden. Dabei setzt die Bewertung des Alterungsverhaltens von RBS voraus, dass die Mechanismen der Alterung hinreichend bekannt sind.
Dafür wurden zunächst systematisch Daten von Kurz- und Langzeitversuchen von nationalen Zulassungsprüfungen der letzten Jahrzehnte ausgewertet. Anschließend wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einer wasserbasierten sowie einer epoxidharzbasierten Richtrezeptur durchgeführt. Da aus der Literatur bekannt ist, dass die Einflüsse der Bewitterung zu einer Veränderung der Konzentration der Bestandteile innerhalb der Beschichtung führen können, wurden Untersuchungen mit Mangelrezepturen durchgeführt, wobei systematisch einzelne Bestandteile reduziert wurden. Neben optischen Untersuchungen wurden thermoanalytische Verfahren (DSC-TG-, ATR-FTIR-, Elementar-, Farbanalyse) angewandt sowie Brandversuche an beschichteten Stahlplatten durchgeführt. Des Weiteren wurden die Richtrezepturen den beschleunigten Kurzzeitversuchen gemäß EAD 350402-00-1106 (2017) unterzogen, welche die Zulassung von Produkten auf europäischer Ebene regelt. Für die wasserbasierte Richtrezeptur wurden die Bewitterung für den feuchten Innenraum (Typ Z1) mehrfach wiederholt (1x, 3x, 6x). Für die epoxidharzbasierte Richtrezeptur entsprach die Bewitterung dem Zyklus für die Außenanwendung (Typ X). In Brandversuchen sowie thermoanalytischen und optischen Untersuchungen wurde das Alterungsverhalten sowie die thermische Schutzwirkung analysiert.
Anschließend wurden numerische Simulationen von Stahlbauteilen mit gealterten RBS durchgeführt und anhand der experimentellen Untersuchungen validiert. Mithilfe der numerischen Modelle kann eine Bewertung der thermischen Schutzwirkung von Stahlbauteilen mit gealterten RBS vorgenommen werden.
Mithilfe der gesammelten Erkenntnisse wurde ein Vorschlag für ein Prüfkonzept für den Nachweis einer Nutzungsdauer von mehr als 10 Jahren abgeleitet. Das Prüfkonzept besteht dabei aus einem Katalog von Möglichkeiten, die aktuellen Zulassungsprüfungen auf europäischer Ebene für eine Nutzungsdauer von 10 Jahren auf einen längeren Zeitraum zu erweitern.
Reaktive Brandschutzsysteme finden im baulichen Brandschutz Anwendung zur Erhöhung des Feuerwiderstands von Stahlkonstruktionen. Neben den Anforderungen an die Feuerwiderstandsdauer können damit auch Ansprüche an die Ästhetik erfüllt werden. Die profilfolgende Applikation und die geringen Trockenschichtdicken der Produkte ermöglichen es, das filigrane Erscheinungsbild von Stahlkonstruktionen aufrechtzuerhalten. Neben der thermischen Schutzwirkung muss auch die Dauerhaftigkeit der Brandschutzbeschichtung sichergestellt werden. Die Bewertungsmethoden, die auf europäischer Ebene durch das EAD 350402-00-1106 zur Verfügung stehen, zielen auf eine Nutzungsdauer von zehn Jahren ab. Prüfverfahren für einen darüber hinausgehenden Zeitraum sind nicht beschrieben. In diesem Beitrag werden experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Bewitterung auf das Expansionsverhalten, zur thermischen Schutzwirkung und zu den während des Aufschäumens im Brandfall stattfindenden Reaktionen vorgestellt. Die Versuche wurden an einem wasserbasierten und einem epoxidharzbasierten reaktiven Brandschutzsystem durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 20470 N erzielt.