Einfluss extensiver Bewitterung auf reaktive Brandschutzsysteme im Stahlbau

Abstract

Reaktive Brandschutzsysteme (RBS) finden im baulichen Brandschutz Anwendung, wenn neben Anforderungen an den Feuerwiderstand auch Ansprüche an die Ästhetik gestellt werden. Die profilfolgende Applikation und die geringe Trockenschichtdicke der Produkte ermöglichen es, das filigrane Erscheinungsbild von Stahlkonstruktionen aufrechtzuerhalten. Die Besonderheit der intumeszierenden Beschichtungen liegt in ihrer thermischen Schutzwirkung, die sich erst im Brandfall ausbildet. Infolge einer thermischen Einwirkung expandiert das RBS um ein Vielfaches der Trockenschichtdicke und bildet eine Schaumstruktur mit guten wärmedämmenden Eigenschaften, die den Wärmeeintrag in das zu schützende Stahlbauteil reduzieren und dessen Erwärmung zeitlich verzögern. Da RBS zu den nicht normativ geregelten Bauprodukten zählen, werden diese derzeit auf Grundlage von allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen (abZ) bzw. allgemeinen Bauartgenehmigungen (aBG) und Europäisch Technischen Bewertungen (ETA) bauaufsichtlich eingeführt. Neben der thermischen Schutzwirkung muss im Zulassungsverfahren auch ein Nachweis der Dauerhaftigkeit der Brandschutzbeschichtung erbracht werden. Auf nationaler Ebene erfolgt diese Bewertung auf Basis von Kurz- und Langzeitversuchen. Anhand von Brandversuchen an künstlich, beschleunigt in der Klimakammer bewitterten Probekörpern wird eine Leistungsprognose aufgestellt. Die Überprüfung erfolgt anschließend an für zwei, fünf und zehn Jahre entsprechend des Anwendungsbereichs ausgelagerten Probekörpern im Brandversuch. Auf europäischer Ebene sind ausschließlich Kurzzeitversuche vorgeschrieben. Weicht die Leistungsfähigkeit des bewitterten RBS im Brandversuch im Mittel nicht mehr als 15 % von der unbewitterten Grundprüfung ab, wird dem RBS eine Nutzungsdauer von zehn Jahren attestiert. Eine Nutzungsdauer von 25 Jahren darf einem Produkt nach dem Europäischen Bewertungsdokument (EAD) bei ausreichendem Nachweis der Dauerhaftigkeit ebenfalls bescheinigt werden. Allerdings existiert derzeit kein geregeltes Prüfkonzept. Für die Bewertung einer Nutzungsdauer länger als zehn Jahre ist es unerlässlich, dass der Einfluss der Bewitterung auf das Verhalten von RBS bekannt ist. Das Ziel der Dissertation ist daher die Bewertung des Einflusses der Bewitterung auf die thermische Schutzwirkung von RBS sowie die Identifikation maßgeblicher Mechanismen, die durch die Bewitterung hervorgerufen werden, für die physikalische Beschreibung des Verhaltens von bewitterten RBS im Brandfall. Um das Ziel zu erreichen, wurde zunächst eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt und der aktuelle Stand der Technik und Forschung von RBS mit dem Fokus auf den Einfluss der Bewitterung präsentiert. Dabei werden das Verhalten im Brandfall sowie die Einzelbestandteile von RBS beschrieben und die Bewertung der Dauerhaftigkeit in den Zulassungsrichtlinien sowie der Stand der Forschung von bewitterten RBS analysiert. Im zweiten Schritt wurden experimentelle Untersuchungen zur Bewertung der thermischen Schutzwirkung von bewitterten RBS durchgeführt. Die Untersuchungen wurden an zwei wasserbasierten RBS, einer generischen Richtrezeptur und einem kommerziellen Produkt durchgeführt. Die Probekörper wurden dabei mehrfach nach den Bewitterungs-Zyklen für den feuchten Innenraum (Typ Z1) der EAD 350402-00-1106 künstlich bewittert. Durch die Verlängerung der Beanspruchungsdauer von 21 Tagen auf 63 bzw. 128 Tage in der Klimakammer konnte das Langzeitverhalten von bewitterten RBS analysiert werden. Dafür wurden kleinmaßstäbliche Brandversuche an beschichteten Stahlplatten zur Ermittlung der thermischen Schutzwirkung von bewitterten RBS durchgeführt. Darüber hinaus wurde in zusätzlichen Versuchen das Expansionsverhalten von bewitterten RBS studiert. Ergänzt wurden die Untersuchungen mit thermoanalytischen Verfahren (TG-, DSC-Analyse) sowie optischen, überwiegend mikroskopischen Analysen der Oberfläche sowie der Morphologie. Aus den experimentellen Untersuchungen wurden bewitterungsabhängige Materialkennwerte abgeleitet. Es konnte mittels objektiver Messverfahren ermittelt werden, dass die thermische Schutzwirkung sowie die Expansion der RBS mit zunehmender Bewitterungsdauer abnimmt und die Morphologie der Schaumstruktur degradiert. Die experimentellen Untersuchungen wurden durch numerische Simulationen ergänzt. Ein dreidimensionales, thermo-mechanisch gekoppeltes Finite-Elemente Modell wurde anhand der gemessenen Stahltemperaturen aus den Brandversuchen für das unbewitterte RBS validiert. Anschließend wurde ein Modell entwickelt, mit welchem das Verhalten von bewitterten RBS im Brandfall simuliert werden kann. Durch die Validierung des Modells mittels der Versuchsdaten kann auf die maßgeblichen physikalischen Mechanismen, die durch den Einfluss der Bewitterung in den RBS hervorgerufen werden, geschlossen werden.