Fire Science
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Zur Bestimmung der reaktionskinetischen Daten von Schüttgütern und iur Vorhersage des Selbstentzündungsverhaltens großer.Lager kommen verschiedene Analysemethoden zum Einsatz. Dabei handelt es sich .um thermische Verfahren wie die Differential-Scanning- Kalorimetrie OS(. die simultane Thermoanalyse STA sowie die Mikrokalorimetrie zur hochpräzisen Messung von Wärmeströmen. Für die oben genannten Methoden werden sehr kleine Probenmengen verwendet. In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten jedoch mit Hilfe von isoperibolen oder adiabatischen Warmlagerungsversuchen ermittelt: die Probenvolumina liegen hier meist im Bereich von ca. 100 cm3 bis zu mehreren Litern.
Die Extrapolation auf technisch relevante Volumina birgt jedoch erhebliche Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten zu identifizieren und zu reduzieren ist das Hauptziel eines 2018 gestarteten Forschungsprojekts. Dies soll in erster Linie durch den Aufbau eines Versuchsstandes zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu. 1000 dm 3 geschehen.
Sowohl Warmlagerungsversucl1e im Labormaßstab als auch thermoanalytische Verfahren. die mit Hilfe verschiedener Methoden ausgewertet werden. lassen, einzeln betrachtet. häufig nur bedingt zuverlässige Aussagen über das Selbstentzündungsverhalten von großen Schüttgütern zu. Es werden komplette Versuchsreihen mit allen genannten Prüfverfahren vorgestellt und Aussagen zur Anwendbarkeit der Extrapolationsmethoden diskutiert.
Der Markt von LNG als Transportgut und als Kraftstoff ist seit Jahrzehnten kontinuierlich am Wachsen, wobei das Hauptanwendungsgebiet im Schiffsverkehr lag. LNG ist verflüssigtes Erdgas mit Hauptbestandteil Methan, das neben fossilen, aus erneuerbaren Quellen, wie synthetischen Methan oder Biogas, gewonnen werden kann. LNG hat als Kraftstoff sehr gute Eigenschaften dessen Potenzial als alternativer Kraftstoff zu Diesel im Schwerlast- und Fernverkehr gesehen wird. Dabei weist LNG gegenüber Diesel geringere Emissionen von CO2, Feinstaub, Stickoxiden und Lärm auf und hat gegenüber anderen erneuerbaren Energiespeichern wie CNG, Elektrobatterien oder Wasserstoff die höchste volumetrische und zweitgrößte gravimetrische Energiedichte. Neben seinen Vorteilen zu anderen erneuerbaren Energieträgern birgt LNG durch seine sehr niedrige Temperatur von bis zu 160°C und seiner Brennbarkeit aber auch neue Gefahren für Personen und Infrastrukturen.
Zur Bewertung von Gefahren und zur späteren Durchführung von Risikobewertungen bedarf es Methoden und Modellen deren Untersuchung Ziel des Forschungsprojekts war. Schwerpunkt der Untersuchung stellt die Freisetzung von LNG in Tunnel, mit sich anschließender Stoffausbreitung und verzögerter Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches dar. Unfallszenarien mit Brandereignissen in Tunnel haben gezeigt, dass diese meist mit hohen Personen, Bauwerks und volkswirtschaftlichen Schäden verbunden sind. Des Weiteren zeigten Untersuchungen das von Gasexplosionen in Umschließungen wie sie ein Tunnel darstellt, mehr Gefahren ausgehen als von Gasexplosionen im Freifeld.
Im Vortrag werden die untersuchten Modelle und die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Stoffausbreitung und Verbrennung der Gasphase von LNG in Umschließungen vorgestellt.
Entwicklungen zu Bestimmungsverfahren für sicherheitstechnische Kenngrössen hybrider Gemische
(2020)
Zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK) von hybriden Gemischen (Gemisch aus mindestens zwei brennbaren Phasen, wie z.B. Staub/Gas- oder Gas/Dampf-Gemisch) existieren bislang keine einheitlichen, genormten Prüfmethoden. Die Normen und Regelwerke zur Bestimmung der STK von einphasigen brennbaren Systemen (Staub, Gas, Dampf) unterscheiden sich teilweise erheblich. Beispielsweise sind in den jeweiligen Normen für Stäube, Gase und Dämpfe unterschiedliche Zündquellen und Zündenergien definiert. Des Weiteren unterscheiden sich die in den Normen definierten Prüfabläufe bei der Gemischherstellung. Bei der Entwicklung einer einheitlichen Norm für hybride Gemische muss der Einfluss dieser beiden Parameter ermittelt werden, um die Vergleichbarkeit mit den STK der einzelnen Komponenten Gas, Staub und Dampf gewährleisten zu können und bisherige Erkenntnisse zu hybriden Gemischen interpretieren und bewerten zu können.
Zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK) von hybriden Gemischen (Gemisch aus mindestens zwei brennbaren Phasen, wie z.B. Staub/Gas- oder Gas/Dampf-Gemisch) existieren bislang keine einheitlichen, genormten Prüfmethoden. Die Normen und Regelwerke zur Bestimmung der STK von einphasigen brennbaren Systemen (Staub, Gas, Dampf) unterscheiden sich teilweise erheblich. Beispielsweise sind in den jeweiligen Normen für Stäube, Gase und Dämpfe unterschiedliche Zündquellen und Zündenergien definiert. Des Weiteren unterscheiden sich die in den Normen definierten Prüfabläufe bei der Gemischherstellung. Bei der Entwicklung einer einheitlichen Norm für hybride Gemische muss der Einfluss dieser beiden Parameter ermittelt werden, um die Vergleichbarkeit mit den STK der einzelnen Komponenten Gas, Staub und Dampf gewährleisten zu können und bisherige Erkenntnisse zu hybriden Gemischen interpretieren und bewerten zu können.
Vorgestellt wird ein 2018 gestartetes Projekt zur Überprüfung der Extrapolation von im Labormaßstab ermittelten Selbstentzündungstemperaturen auf technisch relevante Volumina. Für die Ermittlung reaktionskinetischer Daten von Feststoffschüttungen stehen eine Reihe von Untersuchungsmethoden zur Verfügung. Dies sind thermische Analysen wie z. B. die differential scanning calorimetry DSC sowie Mikrokalorimetrie zur hochgenauen Messung von Wärmeströmen, bei denen sehr geringe Probenmengen zum Einsatz kommen. In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten jedoch mithilfe von isoperibolen oder adiabaten Warmlagerungsversuchen beurteilt, hier liegen die Probenvolumina üblicherweise im Bereich von ca. 100 cm3 bis zu einigen Litern. Die Extrapolation über mehrere Größenordnungen auf technische Volumina birgt Unsicherheiten, da mit Zunahme des Lagervolumens veränderte Start- und Randbedingungen vorliegen können. Zudem besteht die Möglichkeit, dass bei in technischen Lagern vorherrschenden niedrigen Temperaturen Reaktionen ablaufen, die in Standard-
Laborversuchen nicht erfasst werden, aber einen wesentlichen Einfluss auf das Selbstentzündungsverhalten aufweisen können. Hauptziel des Projektes ist es daher, die im Labormaßstab vorhandenen Prüfeinrichtungen durch einen Versuchsstand zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu 1000 dm3 zu erweitern, die Eignung (oder Nichteignung) der etablierten Methoden nachzuweisen und im Labormaßstab nicht erfassbare Einflussgrößen zu ermitteln. Zudem sollen anhand der kleinskaligen Tests Entscheidungskriterien abgeleitet werden, ob eine Extrapolation nach den derzeit üblichen
Methoden zulässig ist.
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.
Kontinuumsmechanische Werkstoffmodelle zur numerischen Simulation von Stahlbauteilen im Brandfall
(2020)
Das nichtlineare und geschwindigkeitsabhängige1 Materialverhalten von Stahl wird besonders bei hohen Temperaturen sichtbar. Für Finite-Elemente-Simulationen von Stahlkonstruktionen im Brandfall sollte aus diesem Grund plastisches und geschwindigkeitsabhängiges Materialverhalten beschrieben werden. Die vorliegende Arbeit betrachtet unter diesem Aspekt bisherige Materialuntersuchungen und macht Vorschläge für dreidimensionale Materialmodelle mit entsprechenden Eigenschaften.
Es werden zunächst die phänomenologischen Eigenschaften von Baustahl anhand einer Literaturrecherche analysiert, wobei verstärkt auf Untersuchungen des Materialverhaltens bei Belastungen und Aufheizprozessen, wie sie im Brandfall zu erwarten sind, geachtet wird. Die für die Bemessung von Stahlkonstruktionen gebräuchliche Spannungsbeschreibung des EC 3-1-2 wird untersucht. Es werden ihre Stärken, aber auch die zur Entwicklung einer kontinuumsmechanischen Materialformulierung fehlenden Eigenschaften, aufgezeigt.
Ein nichtlinear-elastisches kontinuumsmechanisches Materialmodell der Deformationstheorie der Plastizität wird so angepasst, dass es die Spannungs-Dehnungslinien gemäß EC 3-1-2 im einachsigen Spannungszustand beschreibt.
Es wird des Weiteren ein thermoelastisch-viskoplastisches Modell vorgestellt, das in der Lage ist, Kriechen und Relaxation bei Aufheiz- und Abkühlprozessen zu beschreiben. Die Struktur dieses Materialmodells wird so gewählt, dass die Parameter an hierfür geeigneten Messergebnissen leicht identifiziert werden können. Der deviatorische Anteil des Modells besteht aus einem geschwindigkeitsunabhängigen, plastischen Anteil und einem geschwindigkeitsabhängigen, viskoelastischen Anteil. Der geschwindigkeitsunabhängige, plastische Anteil wurde als Differentialgleichung auf Grundlage der so genannten endochronen Plastizitätstheorie formuliert.
Die Parameter der Materialmodelle werden auf Grundlage der Messergebnisse stationärer Warmzugversuche an Baustahlproben identifiziert.
Sowohl das nichtlinear-elastische EC 3-1-2-Materialmodell als auch das thermoelastisch-viskoplastische Materialmodell mit den an Baustahl angepassten Materialparametern wird numerisch für die Verwendung mit Finite-Elemente-Programmen aufbereitet und als UMAT-Subroutine für ABAQUS in der Programmiersprache FORTRAN implementiert. Hierbei wird insbesondere auf die Bereitstellung der konsistenten Tangentenoperatoren Wert gelegt, um eine effiziente numerische Berechnung bei Verwendung der Materialmodelle zu ermöglichen.
Abschließend werden erste Simulationsrechnungen vorgestellt, um beispielhaft die Möglichkeiten der Anwendung der entwickelten und implementierten Materialmodelle für Simulationen von Stahlkonstruktionen im Brandfall aufzuzeigen.
Stichworte: Brandschutz, Stahl, Brandverhalten, Finite-Elemente-Methode, Materialmodell, Eurocode 3-1-2, UMAT
1Ist das Materialverhalten abhängig von der Prozessgeschwindigkeit, wird es als geschwindigkeitsabhängig bezeichnet. Prozesse können sowohl dehnungs- als auch spannungs- oder temperaturgesteuert sein. Die Begriffe zeitabhängig und zeitunabhängig werden hier vermieden, da diese in der Materialwissenschaft mit Alterungsprozessen (’aging’) in Verbindung gebracht werden.
Polyurethane (PU) bilden eine der vielseitigsten Klassen der Polymerwerkstoffe. Kein anderer Kunststoff wird sowohl als Thermoplast, als Elastomer wie auch als Duroplast verarbeitet und eingesetzt. Entsprechend vielfältig sind auch die Anforderungen an den Flammschutz. Je nach Material und Anwendung müssen spezifische Brandnormen erfüllt werden. Der vorliegende Aufsatz gibt einen Überblick über die verfügbaren Ansätze, um durch geeignete Auswahl der Rohstoffe und der Flammschutzmittel diese verschiedensten Anforderungen an das Brandverhalten zu erfüllen.