Fire Science
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For intumescent coatings durability is an important aspect. Due to ageing, which is caused by climatic conditions, the thermal protection performance of intumescent coatings can be reduced during the working life. The national German and the European procedures to assess the durability of intumescent coatings presume a working life of 10 years. For a longer period, additional investigations are required. However, the European assessment procedure does not provide specific information how to prove a durability of more than 10 years. In addition to this formal reason, also from a scientifical position, it is necessary to investigate the degradation of intumescent coatings in detail to propose a corresponding test concept for a durability of more than 10 years.
The presentation summarises the existing knowledge about the degradation behaviour and ageing of intumescent coatings. Furthermore, the results of different approaches from a recently conducted research project are presented. Starting from a water-based and an epoxy-based guide formulation, in a first approach a degradation of the intumescent coating was carried out directly during the production process, i.e. by reducing the concentration of functionally relevant chemical components. In another approach, the duration of the short-term weathering tests was significantly extended, i.e. by multiple repetition of the artificial weathering. The thermal protection performance of the intumescent coating was assessed by fire tests and tests with electrical heating source. In addition, small-scale tests were carried out to determine the thermal material properties of the intumescent coating and thermo-analytical methods were applied to characterise the degradation. Derived from this knowledge, possibilities to test and assess a working life for a period of more than 10 years are proposed.
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.
Investigating the spalling behaviour of a concrete mixture using large scale members is complex and expensive. Thus, the susceptibility of concrete to spalling is investigated by means of fire tests on small scale specimens. However, the reduction of the fire exposed surface increases the influence of boundary effects. Macrocracking and the water loss via the lateral surfaces reduce the impact of the thermomechanical and thermohydraulic damage mechanisms and therefore, lower the risk of spalling. Thus, the influence of different restraints on the spalling behaviour of intermediate scaled specimens (Ø0.47 m; h=0.29 m) was investigated for two ordinary concrete mixtures. Both mixtures had the same
composition except the type of aggregate. One mixture contained only quartzitic aggregates, whereas the other mixture was made with basalt grit as coarse aggregates. Applied steel rings restrained the thermal expansion of the specimen and prevented the loss of water, whereas applied steel sheet primarily reduced the loss of water during the fire test. Additionally, the fire exposed surface of one specimen of each mixture was pre-dried under controlled climate conditions and fire tested with applied steel rings. The results show a higher spalling volume for the ring restrained specimens compared to the other covering types. Further, the pre-dried boundary zone leads to delayed and decreased occurrence of spalling compared to the non-dried specimens for the concrete with quartzitic aggregates and to a prevention of spalling for the mixture with basalt aggregates. Additionally, the results show that the influence of the thermomechanical behaviour of the coarse aggregates increases with increasing restraint. The restrained conditions of the specimens with applied steel ring are comparable to the conditions in the centre of a large scale member. This test series is a further step for possible concept of steel ring restraint concrete specimens as “screening-tests” in upcoming projects.
Reaktive Brandschutzsysteme
(2022)
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.
The work aims to assess the textile reinforced concrete at elevated temperatures and applications of additional fire protection as well.
Die Erkenntnisse zu reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) werden kontinuierlich erweitert, was sich in der Entwicklung neuer Produkte und der Ausweitung des durch technische Regelungen abgedeckten Anwendungsbereichs äußert. Der hier vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Verwendung von RBS auf Stahlkonstruktionen. In den vergangenen zehn Jahren wurden, abgesichert durch neue Erkenntnisse aus der Forschung, die Anwendung auf Stahlzuggliedern mit offenem Profil präzisiert und im Rahmen allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassungen (abZ) neu geregelt. Ferner wurde die Grundlage geschaffen, die Anwendung von RBS auf Zuggliedern mit kreisrundem Vollprofil zu bewerten und auf Basis der abZ zu ermöglichen. Neben einer umfassenden Darstellung der aktuellen nationalen und europäischen Regelungen zu RBS, werden technologische Besonderheiten und deren Einfluss auf den Regelungsinhalt im Beitrag thematisiert. In der jüngsten Vergangenheit stellt sich mit zunehmender Dringlichkeit die Frage nach der Bewertung der Dauerhaftigkeit von RBS für lange Zeiträume, wobei damit Nutzungsdauern weit jenseits der in den nationalen und europäischen Regelungen bereits etablierten 10 Jahre gemeint sind. In diesem Zusammenhang ist zu klären, wie der Feuerwiderstand von Konstruktionen zu bewerten ist, die bereits über lange Zeiträume mit RBS versehen sind.
Bare steel constructions are often integrated in modern buildings. Intumescent coatings are widely used to protect the steel from heating up too quickly in a case of fire. As the functionality of intumescent coatings decreases with the impact of weathering processes, it is important to understand the mechanisms of material degradation to maintain long durability. The weathering-induced degradation behavior of a water-borne intumescent coating was examined, and the weakest points of the formulation were identified by a systematic approach. Resulting from this investigation, adjustments to the formula were made, leading to improved weathering resistance.
Die Erkenntnisse zu reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) werden kontinuierlich erweitert, was sich in der Entwicklung neuer Produkte und der Ausweitung des durch technische Regelungen abgedeckten Anwendungsbereichs äußert. Der hier vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Verwendung von RBS auf Stahlkonstruktionen. In den vergangenen zehn Jahren wurden, abgesichert durch neue Erkenntnisse aus der Forschung, die Anwendung auf Stahlzuggliedern mit offenem Profil präzisiert und im Rahmen allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassungen (abZ) neu geregelt. Ferner wurde die Grundlage geschaffen, die Anwendung von RBS auf Zuggliedern mit kreisrundem Vollprofil zu bewerten und auf Basis der abZ zu ermöglichen.
Neben einer umfassenden Darstellung der aktuellen nationalen und europäischen Regelungen zu RBS, werden technologische Besonderheiten und deren Einfluss auf den Regelungsinhalt im Beitrag thematisiert.
In der jüngsten Vergangenheit stellt sich mit zunehmender Dringlichkeit die Frage nach der Bewertung der Dauerhaftigkeit von RBS für lange Zeiträume, wobei damit Nutzungsdauern weit jenseits der in den nationalen und europäischen Regelungen bereits etablierten 10 Jahre gemeint sind. In diesem Zusammenhang ist zu klären, wie der Feuerwiderstand von Konstruktionen zu bewerten ist, die bereits über lange Zeiträume mit RBS versehen sind. Nicht zuletzt stellt sich die Frage nach der Dauerhaftigkeit der Systeme selbst und adäquaten Prüfverfahren zu deren Beantwortung. Neue und bereits etablierte Ansätze werden vorgestellt und diskutiert.
Der Beitrag schließt mit einer Darstellung der aktuellen Forschung. Neben den Forschungsaktivitäten zur Dauerhaftigkeit sind hier insbesondere Untersuchungen zur Anwendung und Bewertung von RBS auf Grundlage von Naturbränden und extremen Brandereignissen genannt. Neuste Untersuchungen befassen sich auch mit der Anwendung von RBS auf
komplexen Geometrien wie auch auf anderen Substraten wie Beton, Aluminium und faserverstärkten Kunststoffen sowie hybriden Werkstoffen. Die hybriden Werkstoffe aus der Kombination von Metallen und Verbundwerkstoffen sind derzeit vorwiegend im Behälter-, Fahrzeug- und Flugzeugbau anzutreffen. Auch die bereits vor Jahrzehnten begonnenen Aktivitäten zur Entwicklung rechnerischer Verfahren zur Beurteilung der Wirkungsweise von RBS werden in der aktuellen Forschung fortgeführt und weiterentwickelt.
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.
From halogenated flame retardants to non-halogenated to nanocomposites, each milestone in flame retardancy research led to an increase in performance and safety. With the rise of ceramic precursors in flame retardants, a new field of applications in extreme fire scenarios has become accessible. Intumescent coatings combined with precursors for ceramics show a high temperature transition to a ceramic foam, which provides much better fire resistance than conventional coatings at temperatures beyond 1200°C. Even a protection at 2000 °C for several minutes can be achieved. Combining the expansion property of traditional intumescent coatings with a ceramification at high temperatures leads to high-performance coatings, whose unique properties may prove useful for emergency insulation systems for re-entry bodies in the aerospace industry or special fire protection applications.
In this study, the protection performance in extreme fire conditions, the development of the expansion and the following ceramic transition of a high-performance coating are investigated. To this end, a small scale high-performance burner setup was created. The coated (2.5/4 mm) steel plates (75 x 75 x 2 mm) were exposed to direct flame treatment of a propane-oxygen-burner controlled by two flow controllers. During the test, temperatures above of 1800 °C were reached and steel and flame temperature were recorded. Fire tests of different durations (1, 2.5, 5, 10 and 20 min) were performed. The residues of the different development stages were analysed with non-destructive µ-computed tomography and scanning electron microscopy. The 3D images of the computed tomography provide an insight into the developing cell structure and state of ceramification of the residues.