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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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The application of intumescent coatings for fire protection of steel constructions is
increasing. Thanks to the relative thin thickness of the coatings, the typical visual
appearance of the structures can remain essentially unchanged. In Germany, the
applicability of the systems is regulated by the national as well as European technical
assessments. According to the approvals, the application on steel members in tension is
only allowed with limitations. Especially, the application on solid steel rods in tension is
currently excluded from the approval. The paper explains the actual state of the art of the
application of reactive fire protection systems applied to steel structures. Physical and
technical background information are provided. Furthermore, the latest scientific results
of an on-going research project funded by the German National Institute of Building
Technology (DIBt) and conducted by the Federal Institute for Materials Research and
Testing (BAM) will be described.
Das Forschungsvorhaben verfolgt im Wesentlichen das Ziel, die Anwendbarkeit von reaktiven Brandschutzsystemen auf Zugstabsystemen auf Grundlage von allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck sollen neben versuchstechnischen Beurteilungsverfahren auch rechnerische Nachweismöglichkeiten im Rahmen der sogenannten Heißbemessung entwickelt werden.
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.
Die Feuerwiderstandsdauer von ungeschützten Stahlbauteilen lässt sich durch den Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) signifikant erhöhen. Durch den profilfolgenden Auftrag der Brandschutzbeschichtung und die hierfür erforderlichen geringen Trockenschichtdicken, welche in der Regel nur wenige Millimeter betragen, können neben den brandschutz¬technischen Anforderungen auch die an die Stahl-konstruktion gestellten gestalterischen Ansprüche erfüllt werden. Kommt es zu einem Brandereignis schäumt das reaktive Brandschutzsystem auf und bildet eine thermische Schutzschicht um das Stahlbauteil aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der Festigkeitsverlust infolge Temperatur wird verzögert. Die Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Stahlbauteilen wird im Allgemeinen durch Zulassungen geregelt. In Bezug auf die durch die Zulassung abgedeckte Verwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf zug¬beanspruchten Stahlbauteilen haben sich in den letzten Jahren verschiedene Änderungen ergeben. Der nachfolgende Beitrag gibt hierzu einen aktuellen Überblick und beschreibt die Hintergründe, welche zu den neuen Regelungen geführt haben. Ferner erfolgt in diesem Zusammenhang ein Ausblick auf noch zu untersuchende Fragestellungen, welche bisher noch nicht durch die Regelungen in den Zulassungen abgedeckt werden. Darüber hinaus wird in dem Beitrag die derzeit aktuelle Problematik bezüglich der Alterungsbeständigkeit von reaktiven Brandschutz¬systemen thematisiert.
Ziel der Forschung ist die experimentelle und numerische Untersuchung des Brandverhaltens von HC-Platten unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses der Querdehnungsbehinderung (seitliche Zwängung). Eine starke Querdehnungsbehinderung der HC-Platten kann in der Praxis aus der Konstruktionsart resultieren, z.B. durch an das Deckenfeld angrenzende steife Treppenhauskerne. Eine teilweise Querdehnungsbehinderung tritt auf, wenn die thermische Ausdehnung lokal brandbeanspruchter HC-Platten durch angrenzende nicht beflammte Deckenbereiche behindert wird. Da bisher keine Untersuchungen zu dieser Fragestellung vorlagen, wurden Großbrandversuche mit Deckenfeldern aus HC-Platten bei unterschiedlichem Grad der Querdehnungsbehinderung durchgeführt.
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 Brandverhalten von Konstruktionen aus Spannbeton-Hohlplatten vor. In den Untersuchungen wurde unter anderem das Tragverhalten von HC-Platten bei starrer Auflagerung, insbesondere hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit, untersucht.
Ein weiterer bei der Prüfung und Bewertung von Spannbeton-Hohlplatten bisher kaum beachteter Aspekt ist die im Brandfall auftretende Behinderung der Querdehnung. Um zu untersuchen inwieweit die Tragfähigkeit der HC-Platten von der Querdehnungsbehinderung beeinflusst wird, wurden an der BAM entsprechende experimentelle und numerische Untersuchungen an Deckenfeldern aus Spannbeton-Hohlplatten mit variierender seitlicher Zwängung durchgeführt. In der Praxis kann für HC-Platten eine Querdehnungsbehinderung im Brandfall auftreten, wenn beispielsweise eine sehr steife Begrenzung des brandbeanspruchten Deckenbereiches vorliegt, z.B. durch Treppenhauskerne oder auch durch umgebende Deckenfelder bei lokaler Brandbeanspruchung. Im Beitrag werden die im Realmaßstab durchgeführten Brandversuche ausführlich beschrieben und deren Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse vorgestellt.
Anhand der an der BAM durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei einer Zunahme der seitlichen Zwängung die Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu und die Längsrissbildung abnimmt. Die unterschiedlich starke, thermisch bedingte horizontale Verformung der Plattenober- und -unterseite bewirkte aufgrund der Dehnungsbehinderung am Übergang zur seitlichen Zwängungskonstruktion eine Schubbeanspruchung in Plattenquerrichtung. Die Schubspannung wurde durch Horizontalrissbildung in den Plattenstegen abgebaut. 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 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.
Deckensysteme aus Spannbeton-Hohlplatten (engl.: Hollow Core Slabs, HC-Platten) werden im Hochbau insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen eingesetzt. Vorteile gegenüber Massivdecken in Ortbetonweise ergeben sich insbesondere aus dem hohen Vorfertigungsgrad, geringem Eigengewicht und der Möglichkeit großer Spannweiten bei relativ niedrigen Querschnitten. Bei einem 2007 aufgetretenen Brandereignis in einem Parkhaus in Rotterdam kam es infolge Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu einer teilweisen Ablösung des unteren Plattenspiegels. Dies hatte eine europaweite Diskussion zur brandschutztechnischen Bewertung dieser Bauart zur Folge. Mittlerweile liegen gutachterliche Stellungnahmen, Literaturauswertungen und auch jüngere 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, untersucht.
Ein bei der Prüfung und Bewertung von Spannbeton-Hohlplatten bisher kaum beachteter Aspekt ist die im Brandfall auftretende Behinderung der Querdehnung infolge umgebender Bauteile oder Tragwerksteile. Im Bauwerk kann für HC-Platten eine Querdehnungsbehinderung im Brandfall auftreten, wenn eine steife Begrenzung des brandbeanspruchten Deckenbereiches vorliegt, z.B. durch Treppenhauskerne oder auch durch umgebende Decken-felder bei lokaler Brandbeanspruchung. Ferner legten Versuchsergebnisse nahe, dass eine Aufbetonschicht die Zwängungen in der HC-Platte verstärkt. Die Problematik der Querdehnungsbehinderung im Brandfall wurde auch in Gremien der Bauaufsicht sowie im zuständigen Sachverständigenausschuss des Deutschen Instituts für Bautechnik (SVA 463 Tragwerksbemessung für Brandeinwirkung) erörtert. Dabei wurde anhand vorgelegter Studien und numerischer Voruntersuchungen deutlich, dass die Bildung von Horizontalrissen in den Plattenstegen auch bei HC-Platten ohne Aufbeton auftreten kann.
Um den Einfluss der Querdehnungsbehinderung zu klären wurden an der BAM entsprechende experimentelle und numerische Untersuchungen an Decken-feldern aus Spannbeton-Hohlplatten mit unterschiedlichem Grad der seitlichen Zwängung durchgeführt. Im Beitrag werden die im Realmaßstab durch-geführten Brandversuche beschrieben und deren Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse vorgestellt.
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.
Steel tension rod systems consist of tension rods, fork connectors and associated intersection or connecting plates. They are used for truss systems, bracings or suspensions owing to slender design and increased economic efficiency. In case of fire, beside the tension rods themselves, the connection parts require appropriate fire protection. The use of intumescent fire protection coatings prevents a rapid heating of the steel and helps to ensure the load-carrying capacity of the structures. Because the connection components of the tension rod systems feature surface curvature as well as a complex geometry, high demand is placed on the intumescence and thermal protection effectiveness of the reactive fire protection coatings. Experimental studies were carried out to investigate the performance of intumescent coatings applied to the components of tension rod systems. The examined aspects include the foaming and cracking behaviour of the intumescent coatings, the influence of different dry film thicknesses (DFT), the heating rate of the steel connecting parts in comparison to the tension rods, as well as the mounting orientation of the tension rods together with their associated fork connectors. The results show that a decrease in the surface curvature and/or an increase in the mass concentration of the steel components lead to a lower heating rate of the steel. Moreover, the performance of the intumescent coating on tension rod systems is influenced by the mounting orientation of the steel components.