Brandverhalten von Holz und Holzwerkstoffen

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1 INGENIEURMETHODEN CFD-Rauchgassimulation Zonenmodellsimulation Plumemodelle Personenstromsimulation Finite-Elemente-Methode Probabilistische Ansätze BERATUNGSLEISTUNGEN Machbarkeitsstudien Brandschutzkonzepte Rauchschutznachweise Evakuierungsnachweise Bemessung Sonderbauteile Gutachterliche Detailstellungnahmen Brandverhalten von Holz und Holzwerkstoffen Dipl.-Ing. Dirk Kruse Neue Regelungen und Innovationen im Holzbau Chancen für die Praxis Dehne, Kruse & Partner Brandschutzingenieure Windmühlenweg Gifhorn Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Mail:

2 Gliederung Einleitung Verbrennungsprozeß und Pyrolyseschicht Maßnahmen zur Verbesserung des Brandverhaltens Bemessung unter Berücksichtigung des Abbrandes Bekleidungen Brandgeschützte Holzwerkstoffe Zusammenfassung

3 Einleitung Feuer: Freund oder Feind?

4 Einleitung Brandkatastrophe der Anna Amalia Bibliothek, Weimar Ausbruch um 20:25 Uhr Erste Feuerwehrfahrzeuge innererhalb von wenigen Minuten vor Ort 10 Meter hohe Flammen um 21:00 30 Feuerwehrzüge / 330 FW- Männer

5 Verbrennungsprozess Chemie der Verbrennung Die Verbrennung ist ein Spezialfall einer Redox- Reaktion bei der ein brennbarer Stoff durch Sauerstoff oxidiert wird Oxidation bedeutet eine Erhöhung der Oxidationszahl eines Atoms Reduktion ist die Abnahme der Oxidationszahl eines Atoms

6 Verbrennungsprozess Chemie der Verbrennung Zwei Typen der Oxidation Langsame Oxidation, z.b. Rosten, Fermentierung, Verrotung Schnelle Oxidation, z.b. Feuer, Explosion

7 Verbrennungsprozess Chemie der Verbrennung Der Reaktionsmechanismus einer Verbrennung ist sehr schwierig zu beschreiben Im wesentlichen Radikalkettenreaktionen Wasserstoff: 38 Reaktionen mit 8 neuen Nebenprodukten Weiterhin sind viele Zwischen- und Endprodukte der Pyrolyse unbekannt Würden alle Stoffe berücksichtigt werden Tausende Reaktionen mit hunderten von Zwischenprodukten

8 Verbrennungsprozess Chemie der Verbrennung Die Anzahl der freien Radikale bei einer Verbrennung erhöht sich Exponential Stufe 1 H + O 2 OH + O Startradikale 2 2 OH + H 2 H + O 2 H 2 O + H OH + O O + H 2 HO + H usw. usw. 16

9 Verbrennungsprozess Phasen der Verbrennung Aufheizung und Trocknung der Randzonen Pyrolyse des Holzes unter Freisetzung von brennbaren Gasen Verbrennung der brennbaren Gase Verbrennung des festen kohlenstoffhaltigen Rückstandes

10 Verbrennungsprozess Verkohlungsprozess 3 Zonen bilden sich aus Holzkohleschicht wirkt isolierend Wärmeleitfähigkeit ~ 0,1 W/mK Pyrolysezone setzt weitere brennbare Gase frei / eingeschränkte Tragfähigkeit Ungeschädigtes Holz / volle Tragfähigkeit

11 Abbrandgeschwindigkeit Abbrandgeschwindigkeit nach DIN ENV für Bauholz der Festigkeitsklassen EN 338 und EN 1194

12 Abbrandgeschwindigkeit Abbrandgeschwindigkeit (Lingens, 2004)

13 Bemessung Bemessung unter Berücksichtigung des Abbrandes Analog der DIN zwei Möglichkeiten: Vereinfachtes Verfahren unter Ansatz ideeller Restquerschnitte Genaues Verfahren unter Berücksichtigung reduzierter Festigkeiten und Steifigkeiten

14 Bekleidungen Bekleidungen Ziel einer Bekleidung: Verzögerung der Entzündung / Erhöhung des Feuerwiderstandes Brennbare Bekleidungen Holzwerkstoffe Nicht-brennbare Bekleidungen Anorganische gebundene Plattenwerkstoffe (Gips, Zement) Unwirtschaftlich im Vergleich zur Überbemessung Beplankungswerkstoff im Holzrahmenbau Verwendung zur Ertüchtigung im Bestand, z. Bsp. Treppen

15 Brandgeschützte HWS Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln Energieverbrauchende Flammschutzmittel, z.b. Aluminium, Magnesiumhydroxid Feuererstickende Brandschutzmittel Verkohlungsfördernde, Sperrschicht- u. dämmschichtbildende Brandschutzmittel

16 Brandgeschützte HWS Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln Energieverbrauchende Flammschutzmittel Entziehen dem Brandprozess Energie durch endotherme Zersetzungsreaktion Freisetzung von Wasser Aluminiumhydroxid: Ausbildung einer Verkohlungsschicht (Substratabhängig) Verwendung: Kunststoffe / Textilien

17 Brandgeschützte HWS Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln Feuererstickende Flammschutzmittel Unterbrechung des Radikalkettenmechanismus Freisetzung von Halogenatomen Gängige Vertreter: Chlorierte Paraffine, hochchlorierte bicycl. Verbindungen, Pentabromdiphenylether, Tetrabrombisphenol A, Tetrahalogenphthalsäureanhydride, Tris(2,3-dibrompropyl)-phosphat u. a. Bromverbindungen Verwendung: Kunststoffe / Holz

18 Brandgeschützte HWS Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln Verkohlungsfördernde Flammschutzmittel Verstärken die Bildung der natürlich entstehenden, unbrennbaren und wärmeisolierenden Holzkohleschicht Abspaltung brennbarer Gase wird gleichzeitig reduziert Ammoniumphosphat + Energie Ammoniak (feuererstickend) +Phosphorsäure (verkohlungsfördernd) Vergleichbar: roter Phosphor (Kunststoff) und Trischlorpropylphosphat

19 Brandgeschützte HWS Vorteile brandgeschützter Holzwerkstoffe Abhängig von der Primärbrandlast: Entzündung wird verzögert oder verhindert Zunächst geringe Rauchentwicklung Unter Vollbrandbedingungen: Abbrandgeschwindigkeit wird reduziert

20 Brandgeschützte HWS Video

21 Brandgeschützte HWS Bewertung von Flammschutzmitteln (Quelle: Umweltbundesamt) Bewertungszusammenfassung zu Flammschutzmitteln: I auf Anwendung sollte verzichtet werden Decabromdiphenylether Tetrabrombisphenol A, additiv II Minderung sinnvoll, Substitution Anzustreben Tetrabrombisphenol A, reaktiv III problematische Eigenschaften; Minderung sinnvoll IV wegen Kenntnisdefiziten keine Empfehlung möglich Tris(chlorpropyl)phosphat Hexabromcyclododecan Natriumborat-decahydrat (Borax) Antimontrioxid Bis(pentabromphenyl)ethan Resorcinol-bis-diphenyl-phosphat Pyrovatex CP neu Melamincyanurat V Anwendung unproblematisch Roter Phosphor Ammoniumpolyphosphat Aluminiumtrihydroxid

22 Zusammenfassung Zusammenfassung Holz ist ein brennbares Baumaterial Das Verhalten unter Brandbelastung ist gut kalkulierbar, so dass ein unerwarteter, vorzeitiger Tragfähigkeitsverlust ausgeschlossen werden kann Hohe Feuerwiderstandsdauern lassen sich unter Berücksichtigung des Abbrands realisieren Durch die Verwendung von Flammschutzmitteln lässt sich das Brandverhalten insbesondere von Holzwerkstoffen verbessern

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dehne, Kruse & Partner Brandschutzingenieure Windmühlenweg Gifhorn