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Aktuelle Entwicklungen zur Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme auf filigranen Stahlzuggliedern
(2016)
Im Stahlbau wird die feuerwiderstandserhöhende Wirkung reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) bereits seit Jahrzehnten erfolgreich und mit stetig wachsender Nachfrage genutzt. Mehrjährige Forschungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) haben dazu geführt, dass in Deutschland eine zulassungsbasierte Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil möglich ist.
Der diesjährige Beitrag zeigt den Einfluss ausgewählter Versuchsrandbedingungen auf das Abplatzverhalten von Normalbeton im kleinskaligen Brandversuch. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Abplatzneigung von acht zylindrischen Betonprüfkörpern der Maße Ø47 cm x 29 cm aus Normalbeton analysiert. Vier Prüfkörper wurden aus Normalbeton mit quarzitischer Gesteinskörnung hergestellt, wohingegen die grobe Gesteinskörnung (>2 mm) der anderen vier Prüfkörper durch Basaltsplitt ersetzt wurde. Neben der Art der groben Gesteinskörnung wurden zusätzlich ausgewählte Versuchsrandbedingungen variiert. Dies umfasste zum einen die Vorlagerung der Prüfkörper bei verschiedenen Umgebungsfeuchten und zum anderen die Ummantelung der Prüfkörper mit zwei Ringen aus Stahl bzw. einem durchgehenden Stahlblech. Die Ummantelung der Prüfkörper mit Stahlringen im Brandversuch führt zu einer Behinderung der thermischen Ausdehnung der Prüfkörper und zum Aufbau thermomechanischer Zwangsdruckspannungen. Diese Zwangsdruckspannungen werden maßgeblich von der thermischen Ausdehnung der verwendeten Gesteinskörnung beeinflusst. Zusätzlich wird die Feuchteabgabe über die Mantelfläche behindert. Der Einsatz des Stahlblechs reduziert lediglich die Abgabe der Feuchtigkeit über die Mantelfläche und induziert vernachlässigbare Zwangsdruckspannungen im Beton. Die Brandbeanspruchung der Prüfkörper erfolgte einseitig nach der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) über einen Zeitraum von 60 Minuten. Mit Hilfe eines Laser Scanners wurden vergleichende 3D-Messungen der brandbeanspruchten Oberfläche vor und nach dem Brandversuch durchgeführt. Aus diesen Messungen konnten das Abplatzvolumen, die Abplatztiefenverteilung und die maximale Abplatztiefe ermittelt werden. Während des Brandversuchs wurde die Temperaturverteilung im Prüfkörper mittels fünf eingebetteter Mantelthermoelemente in verschiedenen Tiefen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abplatzungen an der brandbeanspruchten Oberfläche infolge der Prüfkörperummantelung mit Stahlringen bzw. Stahlblech zunehmen. Bei einer Ummantelung mit Stahlringen mit gleichzeitiger Vortrocknung der Betonrandzone platzt der Prüfkörper mit quarzitischer Gesteinskörnung ab, wohingegen der Prüfkörper mit basaltischer Gesteinskörnung keine Abplatzungen aufweist. Dies wird auf die unterschiedliche Ausprägung der thermomechanischen Schädigung infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Quarzkies und Basalt zurückgeführt.
Die Ergebnisse der Brandprüfserie zeigen, dass die Variation der Prüfrandbedingungen bei Beibehaltung der Prüfkörpergröße einen maßgeblichen Einfluss auf das Abplatzverhalten haben. Die Randbedingungen sind daher bei kleinskaligen Brandversuchen, die zukünftig als „Screening-Tests“ ersatzweise für kostenintensive Bauteilversuche verwendet werden sollen, zu berücksichtigen.
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.
Nowadays there are intumescent coatings available for diverse applications. There is no established assessment of their protection performance besides the standard time-temperature curve, but natural fire scenarios often play an important role. A reliable straightforward performance-based assessment is presented. The effective thermal conductivity per thickness is calculated based on intermediate-scale fire tests. The optimum thermal insulation, the time to reach it, and the time until contingent failure of the coating are used for an assessment independent of the heating curve. The procedure was conducted on four different commercially intumescent coatings for steel construction, one solvent-based, one waterborne, one epoxy-based, and a bandage impregnated with a waterborne coating. The performance was studied under four different but similar shaped heating curves with different maximum temperatures (standard time-temperature curve, hydrocarbon curve and two self-designed curves with reduced temperature). The thermal protection performance is crucially affected by the residue morphology. Therefore, a comprehensive morphology analysis, including micro-computed tomography and scanning electron microscopy, was conducted on small-scale residues (7.5 x 7.5 cm2). Two different types of inner structures and the residue surface after different heat exposures were discussed in terms of their influence on thermal protection performance.
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.
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 u. a. Stahlzugglieder im Netzwerkbogenbrückenbau ersetzt werden. Das Tragverhalten von Carbonzuggliedern im Brandfall ist jedoch bislang unbekannt. Daher wurden mittels Bauteilbrandversuchen die Versagensmechanismen untersucht sowie anhand gewonnener Versuchsdaten eine exemplarische Einschätzung zur Gleichwertigkeit gegenüber konventionellen Stahlzuggliedern vorgenommen. Der Beitrag beschreibt realmaßstäbliche Brandversuche an mechanisch belasteten Carbonzuggliedern, die im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens NeZuCa durchgeführt wurden. Das Versuchsprogramm umfasste vier Carbonzugglieder mit kreisrunden Querschnitten in zwei verschiedenen Durchmessern, 36 mm und 51 mm. In Ermangelung eines präskriptiven Brandszenarios für den im Projekt vorgesehenen Anwendungsfall und aus Gründen der Vergleichbarkeit erfolgte die Brandbeanspruchung nach Einheitstemperaturzeitkurve (ETK). Neben den Längsverformungen der Zugglieder wurden auch die Bauteil und Brandraumtemperaturen aufgezeichnet.
Beton, als aktuell am meisten verwendeter Baustoff ist nicht brennbar und weist zudem eine sehr geringe Temperaturleitfähigkeit auf. Er eignet sich somit gut für den baulichen Brandschutz. Jedoch neigt Beton im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und sogar zum Versagen des Bauteils führen können. Derzeit werden thermomechanische und thermohydraulische Schädigungsprozesse als die zwei maßgeblichen Ursachen für explosionsartige Abplatzungen angesehen. Diese Schädigungsprozesse sind unter anderem abhängig von der Prüfkörpergröße, dem Wasser-Zement-Wert, der Porosität, der Permeabilität und dem Bewehrungsgrad des Bauteils.
Im Rahmen des Vortrags werden die Forschungsarbeiten zum Maßstabseffekt des Abplatzverhaltens von Betonen bei Brandbeanspruchung präsentiert. Zu diesem Zweck wurden Betonprüfkörper aus sechs verschiedenen Betonmischungen in jeweils drei Prüfkörpergrößen einseitig, ohne Behinderung der thermischen Ausdehnung und ohne externe Last im Tunnelbrandprüfstand der BAM untersucht. Dieser unikale Prüfstand ermöglicht die Brandprüfung unterschiedlicher Prüfkörpergrößen unter vergleichbaren Brandbedingungen sowie die simultane Prüfung mehrerer kleinformatiger Betonprüfkörper. Das präsentierte, laufende Promotionsvorhaben basiert auf einem von der DFG geförderten Forschungsvorhaben und darauf aufbauenden Folgeuntersuchungen.
Die Ergebnisse des DFG-Vorhabens zeigen einen deutlichen Maßstabseffekt mit einer starken Verringerung der Abplatztiefen bei einer Reduzierung der Prüfkörpergröße. Des Weiteren ist das Abplatzverhalten stark von der Betonmischung abhängig. Vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung und Kostenreduzierung verfolgen die auf dem DFG-Vorhaben aufbauenden Untersuchungen das Ziel, das Abplatzverhalten großformatiger Betonprüfkörper durch kleinformatige Betonprüfkörper mit angepassten Randbedingungen nachzustellen. Hierfür wurden zwei Betonmischungen des DFG-Vorhabens verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Anpassung der Versuchsrandbedingungen dem Maßstabseffekt entgegengewirkt werden kann.
Das Forschungsprojekt fokussiert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Querdehnungs-behinderung auf das Trag- und Verformungsverhalten von Spannbeton-Hohlplatten (HC-Platten) im Brandfall. Das Vorhaben wird vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) finanziell gefördert und von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt. Der Forschungs¬bericht beinhaltet eine Literaturrecherche, numerische Simulationsberechnungen, realmaßstäbliche Brandversuche an Deckenfeldern aus HC-Platten sowie Materialuntersuchungen für den verwendeten Beton. In numerischen Simulationen wurden sowohl einzelne HC-Platten als auch ganze Deckenfelder unter mechanischer Belastung und Brandbeanspruchung analysiert. Realmaßstäbliche Brandversuche mit Beanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve und auflagernaher Einleitung der mechanischen Prüflast (Querkraftbeanspruchung) wurden an insgesamt drei Deckenfeldern durchgeführt. Die Deckenfelder wurden aus 5 m langen HC-Platten zusammengesetzt. In zwei Brandversuchen wurden einachsig gespannte Deckenfelder untersucht. In dem einen Versuch waren die Längsränder frei, in dem anderen an der Querdehnung gehindert. In einem dritten Brandversuch wurde ein zweiachsig gespanntes Deckenfeld mit seitlicher Dehnungsbehinderung untersucht. Um das Verhalten der HC-Platten im Brandversuch quantitativ beschreiben zu können, wurde eine umfangreiche Sensorik zur Erfassung thermischer und mechanischer Kenngrößen eingesetzt.
Die Brandversuche haben gezeigt, dass bei einer Zunahme des Grades der seitlichen Dehnungsbehinderung die Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu und die Längsrissbildung abnimmt. Die unterschiedlich starke thermisch bedingte horizontale Verformung der Plattenober- und -unterseite bewirkte am Übergang zur seitlichen Zwängungskonstruktion eine Schub-beanspruchung in Plattenquerrichtung. Die Schubspannung wurde durch Horizontalrissbildung in den Plattenstegen abgebaut. Trotz der ausgeprägten Rissbildung 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 Decken-konstruktion. Die in den Brandversuchen erfassten thermischen und mechanischen Messwerte sowie die Ergebnisse aus Materialuntersuchungen stehen zukünftig als umfangreiche Datenbasis für die Validierung numerischer Modelle zur Verfügung.