Fire Science
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In den letzten Jahrzehnten wurde die Degradation der polymeren Matrix von flammgeschützten Polymeren eingehend untersucht. Erst in den letzten Jahren jedoch hat sich die Frage der Lebensdauer der Funktionalität des Flammschutzes selbst als wichtige Fragestellung herauskristallisiert, z.B. bei Kabeln. Deshalb sollte diese Fragestellung durch systematisch-variierte künstliche Klima- und Bewitterungstests an flammgeschützten Polymerwerkstoffen untersucht werden
Beton, der heutzutage meist verwendete Baustoff, weist neben gutem Festigkeits- und Dauerhaftig-keitsverhalten ebenfalls erhöhte Brandschutzeigenschaften auf. Jedoch zeigen zahlreiche Schadensfälle, dass vor allem gefügedichte Betone im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen neigen. Diese führen zum Freilegen der vorhandenen Stahlbewehrung und zur Verminderung des tragfähigen Bauteilquer-schnitts. Das wiederum kann im schlimmsten Fall eine Gefährdung der Standsicherheit eines Bauwerks zur Folge haben.
Nach derzeitigem Stand werden die explosionsartigen Abplatzungen auf thermomechanische und thermohydraulische Prozesse zurückgeführt. Letztere beruhen auf der Generierung hoher Wasserdampfdrücke in einseitig brandbeanspruchten Betonbauteilen, die zum einen auf die geringe Permeabilität des hochfesten Betons und zum anderen auf die Bildung einer wassergesättigten Zone, der sogenannten „moisture clog“ zurückzuführen sind. Die experimentelle Analyse der dabei ablaufenden Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsmechanismen ist Gegenstand des Vortrags.
Dazu wurde an der BAM im Rahmen eines MI-Typ 2 Projektes (FB 7.1, 7.3, 8.5) ein Versuchsstand aufgebaut, der die dreidimensionale, simultane Analyse und Quantifizierung des Feuchtetransports an einsei-tig erwärmten, miniaturisierten Prüfkörpern aus gefügedichtem Beton mittels Röntgencomputertomographie erstmals ermöglicht. Zusätzlich wird die eindimensionale Feuchteverteilung im Prüfkörper mittels Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technik vor und nach einseitiger Erwärmung untersucht. Mithilfe dieser Prüfmethodologie ist es möglich, die Ausbildung einer Trocknungs- bzw. Dehydrationszone sowie einer tiefergelegenen Feuchteakkumulationszone zeitlich aufgelöst abzubilden. Darüber hinaus können die Einflüsse einer Polypropylenfaserzugabe auf den thermisch induzierten Feuchtetransport quantifiziert werden.
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.
Produkte, Bauteile und Konstruktionen im Transport- und Bauwesen bestehen mehr und mehr aus Klebverbunden. Allein die Menge des verwendeten Klebstoffes oder die Anzahl geklebter Verbindungen schließen für eine verlässliche Betrachtung und Bewertung der Brandrisiken aus, deren Beitrag zur Brandentstehung, Flammenausbreitung oder Feuerwiderstand von Baugruppen und Konstruktionen zu vernachlässigen. Anforderungen an die Leistungsbeschreibungen von flammgeschützten Klebstoffen bzw. Haftklebebändern werden definiert, oft ohne ein ausreichendes Verständnis der Beiträge von Klebverbunden zum Brandverhalten der Bauteile zu haben. Der Vortrag beleuchtet diese Problematik und stellt die verschiedenen komplexen Anforderungen aus dem Brandschutz in Hinblick auf Auswahlkriterien und Entwicklungsziele für flammgeschützte Klebstoffe dar. Dabei ist dieser Transfer des Brandverhaltens, sprich der Systemantwort einer Komponente oder Bauteils in einem spezifischen Brandszenario, in Materialeigenschaften des Klebstoffes eine intrinsische und anspruchsvolle Herausforderung. Im abgeschlossenen IGF-Projekt Nr. 20762 N (Forschungsvereinigung DECHEMA) haben wir für Klebebänder eine systematisch-wissenschaftliche Studie durchgeführt und aussagekräftige Erkenntnisse zu Verfügung gestellt. Die Untersuchungen zur Entflammbarkeit zu Brandbeginn, zur Flammenausbreitung (Wärmeentwicklung) im sich entwickelnden Brand und zum Feuerwiderstand im Vollbrand machen die sehr unterschiedlichen Einflüsse von Klebverbunden, d. h. auch die unterschiedlichen Anforderungen an die Modifikation der Klebebänder, deutlich. Die thermische Analyse verschiedener Klebstoffe zusammen mit den Brandtest freistehender Haftklebebänder, an einseitig geklebten Substraten und an Klebverbundprobekörpern skizzieren eindrucksvoll die komplexen Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften der Klebebänder und dem Brandverhalten von Klebverbunden. Der Vergleich von verschiedenen Substraten wie Stahlbleche, Holz, Mineralwolle und verschiedene Polymermaterialien belegt darüber hinaus, dass der Einfluss der Klebverbindungen auf das Brandverhalten der Klebverbunde substratspezifisch ist. Gerade der Vergleich zwischen Holz, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Bisphenol A Polycarbonat (PC) liefert überraschend unterschiedliche Ergebnisse. Die Variation der Klebstoffe und Trägermaterialien der Klebebänder skizziert die verschiedenen Möglichkeiten für die Materialentwicklung. Abhängig vom Material und Brandszenario können Klebverbunde im Vergleich zu gleich dicken Probekörpern aus demselben Substrat sowohl eine deutliche Erhöhung der Brandrisiken, ein praktisch unverändertes Brandverhalten oder eine Reduktion des Brandrisikos hervorrufen. Grundsätzlich kann keine Lösung bzw. kein Tape gefunden werden, die mit allen Substraten einen guten Brandschutz gewährleistet. Substrate, Carrier und Klebstoff müssen nicht nur aufeinander abgestimmt werden, sondern auch auf das Brandszenario, in welchem der Verbund eine gute Performance liefern soll.Das IGF-Projekt (20762) der Forschungsgemeinschaft (DECHEMA Deutsche Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e V, Theodor Heuss Allee 25, 60486 Frankfurt am Main) wurde durch die AiF im Rahmen des Programms „Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)” des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Das Brandverhalten stellt wie das ausgezeichnete elektrische Isolationsverhalten, die geringen elektrischen Verluste, die Verarbeitbarkeit und Formbarkeit eine der wesentlichen Schlüsseleigenschaften im Eigenschaftsprofil von Polymerwerkstoffen in der Elektronik und der Elektrotechnik dar. Dabei bedarf es einer Ausrüstung der Polymerwerkstoffe mit Flammschutzmittel. Die Entwicklung von immer effizienteren, synergistischen und multifunktionalen Multikomponentensystemen ist dabei eine herausragende Quelle für Innovation. Die Entwicklung und Verbesserung der werkstoff- und anwendungsspezifischen Flammschutzlösungen bestimmen die aktuellen und zukünftigen Polymermaterialien in der Elektronik und Elektrotechnik mit. Der Vortrag stellt anhand von Beispielen einige der erfolgreichen Konzepte dar. Es wird versucht, über das wissenschaftlich-systematische Verständnis Grundprinzipien und vielversprechende Lösungsstrategien zu verdeutlichen.
Der Beitrag versucht sich an der Herausforderung, trotz beschränktem zeitlichen Rahmen einen ansprechenden Spagat zwischen umfangreichem Überblick und wissenschaftlichem Verständnis und so eine unabhängige und unparteiliche Einführung in Thematik flammgeschützte PUR-Schäume zu geben. Er kann sicherlich nicht individuelle Antworten oder konkrete Entwicklungsziele wie neue Rezepturvorschläge liefern, aber hofft zum Hintergrund und als Handwerkzeugs für das Aufstellen und Überdenken von Entwicklungsstrategien beizutragen.
The main flame retardant modes of action are known, nevertheless in practise the detailed scientific understanding usually falls short, when it comes to modern multicomponent systems, the important tiny optimizations, or quantifying in terms of specific fire properties. The description of the flame retardant modes of action remains usually vague and fragmentary. This talk tries to deliver thought-provoking impulses how the understanding of the fire behaviour and flame retardancy can be utilized to direct the development of future flame retardant polymer products. Some overseen details are picked up as well as rethinking of concepts memorised long ago is encouraged to discover something new. Furthermore, the talk tries to fill the gap between flame retardant modes of action and fire performance constituting a product. This talk promotes the evidence-based development of flame retardant polymers.
Überblick über die Herausforderungen, Anforderungen und Lösungswege für den Flammschutz von Polyurethanwerkstoffen (thermoplastisches und elastomeres Polyurethan (TPU, PUR), PUR Hard- und Weichschäume, PIR, PUR Coatings). Die Werkstoffcharakteristika wie Pyrolyse, effektive Verbrennungswärme, Rückstandsausbeute, Verarbeitungsparameter und kg-Preis definieren die Anforderungen an Flammschutzlösungen. Der Flammschutz ist spezifisch für das Material ausgelegt, aber auch für die verschiedenen Anwendungen (Automobilbau, Schienenfahrzeuge, Bauwesen, Elektrotechnik, usw.), d.h. um spezielle Brandtests zu bestehen. Die Pyrolyse und das Brandverhalten von PUR und PUR-Schäumen sowie der flammgeschützten Varianten wird diskutiert. Die gängigen Flammschutzmittel(-kombinationen) werden zusammengefasst und mit Beispielen belegt.
Weltweit stellen Waldbrände eine große Bedrohung für Umwelt, Wirtschaft und menschliches Leben dar. Der fortschreitende Klimawandel verstärkt Trockenheit und Dürre, wodurch die Größe und Intensität von Waldbränden sowie das daraus resultierende Gefahrenpotential zusätzlich erhöht werden. Um im Risikofall eine schnelle und effektive Waldbrandbekämpfung zu gewährleisten, sollen Einsatzkräfte in Zukunft von KI-basierten Ausbreitungsmodellen unterstützt werden.
Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht dabei schnelle und zielgerichtete Ausbreitungsvorhersagen in Echtzeit, die in den Prozess der Brandbekämpfung als zusätzliche Information einfließen können. Im Rahmen des durch das EU-Förderprogram Horizon 2020 finanzierte Projekt TREEADS wird ein solches Modell für Europa entwickelt.
Dazu wird mit verschiedenen Satellitendaten des Copernicus-Programms und der NASA ein auf räumlicher und zeitlicher Ebene aufgelöster Datensatz zu europäischen Waldbränden aufgebaut. Zu den erfassten Waldbränden werden wichtigen Faktoren, die Einfluss auf die Brandausbreitung haben, ergänzt. Dazu gehören das von Copernicus bereitgestellte, digitale Geländemodell Europas und verschiedene, von Sentinel-2 Messungen abgeleitete Informationen zu Vegetation und Landnutzung. Dieser 2D-Trainingsdatensatz zu realen Waldbränden wird durch die zeitlich hochaufgelösten, meteorologischen Reanalyse-Produkte – Copernicus European Regional ReAnalysis (CERRA) und ERA5-Land – vervollständigt und ist die Grundlage für ein Modell zur Ausbreitungsvorhersage von Waldbränden.
Methoden des Maschinellen Lernens können komplexe Muster in den gesammelten Daten erkennen und so zu einer verbesserten Vorhersage der Brandausbreitung beitragen. Die vielfältigen, von Copernicus bereitgestellten Daten sind dabei ein unabdingbarer Bestandteil des Modells, mit dem den Einsatzkräften ein zusätzliches Tool für den effizienten Einsatz ihrer limitierten Ressourcen zur Verfügung steht.