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Organisationseinheit der BAM
Angesichts der spezifischen Bedeutung der Aushärtung von Phenolharzen für ihre Eigenschaften als Ingenieurwerkstoffe besteht großes Interesse an deren quantitativer Charakterisierung. Mittels DSC-Messungen unter hohem Druck (HP-DSC) kann die Vernetzungsreaktion der Phenolharzformmassen durch die Unterdrückung der Verdampfung niedermolekularer Substanzen ohne störende Überlagerungen verfolgt werden. Mittels verschiedener Vernetzungsgrade können die Einflussparameter der Aufheizrate und der Nachtemperung optimiert werden. Die Messergebnisse ermöglichen eine Modellierung der Reaktionskinetik mit dem Ziel einer verbesserten Prozessführung und Qualitätskontrolle in der industriellen Praxis.
Zur Toxizität von Brandgasen insbesondere von organischen Stoffen liegen bisher noch unzureichende Erkenntnisse vor, obwohl diese für die Sicherheit der damit konfrontierten Personen oft von entscheidender Bedeutung sind. Ziel der hier dargestellten Untersuchungen ist es, die Zusammensetzung des Brandgases und die Menge der Brandgaskomponenten im Brandfall zu beurteilen und zu quantifizieren sowie entsprechende Prozeduren hierfür aufzuzeigen. Dazu wurden verschiedene Brandszenarien, die durch Verwendung von unterschiedlichen Arten von Prüföfen simuliert wurden, sowie Proben in den unterschiedlichen Größenmaßstäben untersucht. Durch den Einsatz eines mobilen FTIR-Gerätes (Fourier Transformations Infrarot Spektroskopie) ist es experimentell möglich, zeitaufgelöst quantitative Bestimmungen einzelner toxischer Brandgaskomponenten während der jeweiligen Brandszenarien zu ermitteln und somit eine Abschätzung der Toxizität vorzunehmen. Am Beispiel von Polyvinylchlorid (PVC) wird gezeigt, welche Auswirkungen die unterschiedlichen Brandszenarien auf die qualitative und quantitative Brandgaszusammensetzung haben.
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.
Wesentlich für das Sicherheitsniveau und damit die nachhaltige Wettbewerbsfähigkeit des Technologiestandortes Deutschland ist der Brandschutz in Industrieanlagen, in Gebäuden und im Transportwesen. Der vorbeugende bauliche Brandschutz hat u. a. das Ziel, die Brand- und Rauchausbreitung im Brandfall für eine gewisse Zeit zu behindern, damit die erforderlichen Lösch- und Rettungsarbeiten durchgeführt werden können. Dies geschieht u.a. durch Anforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit brandbeanspruchter Bauteile. Der Feuerwiderstand eines Bauteils ist die Fähigkeit während eines angegebenen Zeitraums in einer genormten Feuerwiderstandsprüfung bezüglich mechanischer Stabilität und/oder thermischer Isolierung nicht zu versagen. Reaktive Brandschutzbeschichtungen erhöhen für viele Bauteile sehr effektiv den Feuerwiderstand. Die Beschichtungen und die Brandprüfungen müssen jedoch an die immer komplexeren Anwendungen und/oder extremeren Anforderungen angepasst und weiterentwickelt werden. Aktuelle Forschungsschwerpunkte liegen dabei in der Entwicklung neuer Materialien (z.B. Geopolymere, keramisierende Beschichtungen, silikonbasierte Beschichtungen) für extreme Brandszenarien (extreme Temperaturen, lange Beanspruchungszeiten) und in der Realisierung komplexer Funktionalitäten (komplexe Geometrien, bewegliche Komponenten) sowie in der Entwicklung neuer Testmethoden (Feuerwiderstand als bench-scale Tests, kostengünstiges Screening, Feuerwiderstand in extremen Brandszenarien). Die Entwicklung geht dabei weg von der präskriptiven Bewertung hin zur leistungsorientierten (performance-based) Bewertung in individuellen Brandszenarien oder von komplexen Bauteilen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Lösungsansätze für die neuen Herausforderungen an die reaktiven Brandschutzsysteme unter Extrembedingungen und deren Testmöglichkeiten vorgestellt und diskutiert. Im Mittelpunkt stehen dabei neu entwickelte bench-scale Testmethoden zum Screening von neuen Beschichtungsmaterialien sowie zur Beurteilung spezieller bzw. materialspezifischer Aspekte des Feuerwiderstands unter Extrembedingungen.
Durch die Verwendung von Grillgeräten in geschlossenen Räumen, wie Gartenlauben, Wohnungen oder Garagen kam es in den vergangenen Jahren zu einer Vielzahl von Unfällen mit schweren Vergiftungen und Todesfällen. Seit 2008 scheint das Auftreten von Kohlenmonoxid (CO) Intoxikationen innerhalb Deutschland wieder zu zunehmen. Die Hauptursachen sind dabei der unsachgemäße Gebrauch von Holzkohlegrills, schlecht gewartete Gasthermen und Kamine. Zum Schutz der Bevölkerung ist deshalb eine Aufklärung über mögliche Gefahren wichtig.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Gefahren bewertet. Es wurden verschiedene Brandszenarien mit Grillgeräten, mit unterschiedlichen Grillkohlearten und –mengen in geschlossenen Räumen realisiert und die entsprechenden Konzentrations-Zeit-Verläufe ermittelt. Bei den Brandversuchen wurden zudem notwendige Eingabeparameter für numerische Simulationen ermittelt, um die Verwendung von Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen zu simulieren. Die Auswirkungen für Menschen beim Grillen in geschlossenen Räumen wurden quantifiziert, indem die Eintrittszeitpunkte der Handlungsunfähigkeit und des Todes mittels Fractional Effective Dose (FED)-Konzept bestimmt wurden. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine frühzeitige Detektion der toxischen Gase zur Warnung von Personen dringend notwendig ist. In den durchgeführten Brandversuchen zeigte sich, dass die gebräuchlichen Rauchmelder auf Streulichtbasis keine rechtzeitige Warnung ermöglichen. Deshalb sind für solche Brandszenarien andere Branddetektoren erforderlich. Entsprechende Versuche mit CO-Brandmeldern zeigten, dass das freigesetzte CO beim Grillen in geschlossenen Räumen frühzeitig detektiert werden kann und Personen somit rechtzeitig gewarnt werden können.
Zur frühzeitigen Erkennung von Schwelbränden wurde weiterhin ein neuer Wasserstoffdetektor getestet. Die Entstehung von Wasserstoff in einer sehr frühen Brandphase kann zur frühzeitigen Erkennung von Schwelbränden genutzt werden. Bei ersten Schwelbrandexperimenten mit Holzproben konnte Wasserstoff in einer geschlossenen Kammer (0,5 m3) nachgewiesen werden, noch bevor es zu einer erhöhten CO-Emission kam. Die Ergebnisse der Schwelbrandversuche werden vorgestellt und die Verwendbarkeit von CO- und Wasserstoff-Detektoren erörtert und diskutiert.
Der steigende Einsatz von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (Wood Plastic Composite, WPC) erfordert das Wissen um seine spezifischen Eigenschaften, insbesondere dem Brand risiko.
Dabei können Flammschutzmittel die Entflammbarkeit, Wärmeabgabe und die Brandausbreitung des Materials verringern.
Deshalb sind der gezielte und effiziente Einsatz und die Kenntnis über die Wirkungsweise der Flammschutzmittel im WPC für den Brandschutz von enormer Bedeutung. Dazu gehört auch die Rauchentwicklung im Brandfall. Rauch beeinflusst aufgrund seiner Toxizität und seiner Sichttrübung die Fluchtmöglichkeit der betroffenen Personen. In der Rauchkammer nach ISO 5659-2 wird die Rauchentwicklung von flachen Werkstoffproben ermittelt. Die Rauchgastoxizität bzw. die Rauchgaszusammensetzung wird mithilfe der FTIR (Fourier Transformierte Infrarot)-Spektroskopie ermittelt. Frei werdende Partikel schädigen die Atemorgane und beeinflussen damit auch die Fluchtfähigkeit von Personen im Brandfall. Aussagen zur Partikelemission können mithilfe eines an die Rauchkammer gekoppelten Partikelanalysators getroffen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene flammgeschützte WPC-Systeme hinsichtlich ihres Rauchverhaltens in der Rauchkammer untersucht. Die Ergebnisse zu emittierten toxischen Gasen, Partikeln und zur Rauchentwicklung werden vorgestellt und in Abhängigkeit von den eingesetzten Flammschutzmitteln im WPC diskutiert.
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.
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.