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Prüfverfahren für thermische Materialkennwerte von Brandschutzbekleidungen und reaktiven Brandschutzsystemen für die Bemessung von Stahltragwerken bei Naturbränden

Bei dem gemeinsamen Forschungsvorhaben AIF 19176 N/1 mit dem Institut für Stahlbau, Leibniz Universität Hannover, stehen Untersuchungen des thermischen Materialverhaltens von Brandschutzbekleidungen und reaktiven Brandschutzsystemen bei Naturbrandeinwirkung im Fokus. Bei Brandbeanspruchungen müssen Stahlkonstruktionen insbesondere dann geschützt werden, wenn sie einer direkten Brandbeaufschlagung unterworfen sind, weshalb die Kenntnis über das Erwärmungsverhalten bekleideter oder beschichteter Stahlbauteile von besonderem Interesse ist. Die thermischen Kennwerte (Wärmeleitfähigkeit, Rohdichte und spezifische Wärmekapazität) werden dabei sowohl für den Stahl als auch für die verwendeten Bekleidungsmaterialien benötigt. In der DIN EN 1993-1-2 (2010) sind die temperaturabhängigen Materialkennwerte für Stahl bereits vorhanden. Die thermischen Kennwerte für Bekleidungsmaterialien werden hingegen vereinfacht als konstante Werte angegeben.

Zunächst werden auf der Basis von Brandsimulationsberechnungen mit Zonen- und Feldmodellen realistische Naturbrandverläufe entwickelt. Unter Variation der Brandraumgeometrie, der Brandlasten (Art und Menge) sowie der Ventilationsverhältnisse können somit eine Vielzahl von Temperatur-Zeitläufen erzielt werden. Im Vergleich zur normativen Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) stellen die Naturbrände ein realistisches Modell eines Realbrandes mit Brandentwicklungsphase, einem Vollbrand sowie einer Abkühlphase dar. Daraus ergibt sich, dass sich die Materialeigenschaften bei einer Brandbeanspruchung mittels ETK nicht auf Naturbrandbeanspruchungen übertragen lassen. Die sich ergebenen und zum Teil stark unterscheidenden Temperatur-Zeitverläufe werden hinsichtlich ihrer Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten, sowie der maximalen Temperaturen ausgewertet. Die erzielten Heizraten und maximalen Temperaturen dienen als Eingangswerte sowie Randbedingung für die thermoanalytischen Untersuchungen.

  

Anhand von experimentellen Kleinversuchen an Proben aus gipsbasierten Plattenbekleidungen, Calciumsilicatplatten, Brandschutzputz und Proben aus reaktiven Brandschutzsystem (RBS) werden die thermische Kennwerte in Abhängigkeit der Temperatur/ Zeit bestimmt. Die thermischen Materialkennwerte werden dabei sowohl für die Aufheizphase als auch für die sich anschließende Abkühlung ermittelt. Unter Variation der Randbedingungen der verwendeten Messverfahren und Methoden können Aussagen über mögliche Anwendung als Prüfverfahren getroffen werden. Aufgrund des irreversiblen Materialverhaltens von Bekleidungsmaterialien zeigen sich deutliche Unterschiede der temperaturabhängigen, thermischen Kennwerte für die Aufheiz- als auch die Abkühlphase.

Mittels eines FE- Programms werden bekleidete bzw. beschichte Stahlbauteile in ein zweidimensionales, numerisches Ingenieurmodell überführt. Die experimentellen Daten der thermoanalytischen Untersuchungen sowie die Naturbrandverläufe der Brandsimulationsberechnung finden Eingang in das numerische Modell. Zur Validierung des FE- Modells und zur Bestimmung der Schutzwirkung der betrachteten Bekleidungsmaterialien und reaktiven Brandschutzsystemen wird ein Großbrandversuch an bekleideten und beschichten Stahlträgern sowie unbelasteten Referenzkörpern durchgeführt.

Abschließend soll es möglich sein, die Materialkennwerte für die betrachteten Brandschutzbekleidungen und reaktiven Brandschutzsysteme bereitzustellen sowie Randbedingungen für standardisierte Prüfverfahren zu definieren. Auf Grundlage der Ergebnisse kann anschließend die Schutzwirkung sowie das Erwarmungsverhalten von bekleideten bzw. beschichteten Stahlbauteilen berechnet werden.

Projektträger: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) gefördert durch BMWi

Förderdauer/Laufzeit: 01.10.2016- 28.02.2018

Ansprechpartner: Lisa Sander, M. Sc.

Veröffentlichungen:

Weisheim, W.; Schaumann, P.; Sander, L.; Zehfuß, J.: Numerical Model for the Fire Protection Performance of Intumescent Coatings Exposed to Natural Fires, Proceedings of the 10th International Conference on Structures in Fire (SiF '18), Belfast, United Kingdom, 6-8 June 2018, pp. 225-232
ISBN: 978-1-85923-274-3
 Zehfuß, J.; Sander, L.; Schaumann, P.; Weisheim, W.: Thermische Materialeigenschaften von Brandschutzmaterialien für Naturbrandbeanspruchungen, in: Bautechnik, Vol. 95, Heft 8, Ernst & Sohn, Berlin, S. 535-546. http://doi.org/10.1002/bate.201800033  
 Sander, L.; Zehfuß, J.; Weisheim, W.; Schaumann, P.: Thermische Materialkennwerte von Brandschutzplattenbekleidungen für Stahlbauteile bei Naturbränden, Tagungsband zum Workshop Heißbemessung - Structural Fire Engineering, 18. September 2018, Braunschweig.  

 

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