Zukunft Bau KURZBERICHT. Titel Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Verbrennungseffektivität für Brandlastberechnungen

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Johannes Koenig
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1 Zukunft Bau KURZBERICHT Titel Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der für Brandlastberechnungen Anlass/ Ausgangslage Brandlastberechnungen für Industriebauten werden nach DIN unter Anwendung des Abbrandfaktors m durchgeführt. Der m-faktor bewertet wie auch die das Abbrandverhalten eines Stoffes. Weil die einzige in Deutschland verfügbare Prüfapparatur zur Ermittlung von Abbrandfaktoren abgeschafft wurde, sollte geprüft werden, ob die für Brandlastberechnungen nach DIN angewendet werden kann. Gegenstand des Forschungsvorhabens Für verschiedene Feststoffe (sägerauhes Fichtenholz, mitteldichte Holzfaserplatte MDF, Polystyrol PS-B1, Polyurethan-Hartschaum PUR-B1, PUR-B2, PUR-B3 und Spanplatte) und einer Flüssigkeit (n-heptan) wurden experimentelle Untersuchungen zur Wärmefreisetzungsrate am Cone Calorimeter und am Single Burning Item Test (SBI) durchgeführt (s. Bild 1). Aus Gründen der Reproduzierbarkeit wurden für jeden Stoff drei Versuche ausgeführt und die Standardabweichung ermittelt. Anhand der experimentell ermittelten Wärmefreisetzungsrate und dem Masseverlust wurde die effektive Verbrennungswärme bestimmt. Über das Verhältnis aus effektiver Verbrennungswärme zu Heizwert wurde die für jeden untersuchten Stoff ermittelt. Der zur Berechnung der erforderliche Heizwert wurde für jeden Stoff entsprechend der DIN EN ISO 1716 im Bombenkalorimeter experimentell ermittelt. Bezüglich der experimentell ermittelten Heizwerte wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit den in der DIN tabellierten Werten erreicht. Ergänzend zur effektiven Verbrennungswärme wurde an beiden Prüfapparaturen die Zeit bis zum Erreichen der maximalen Wärmefreisetzungsrate experimentell bestimmt. Dieser Wert wird mit der Fire-Growth-Rate (FIGRA-Wert) beschrieben. Um den Einfluss des Energieeintrages auf das Abbrandverhalten von Stoffen zu untersuchen wurde am Cone Calorimeter die Wärmestromdichte an der Probenoberfläche (35 kw/m², 50 kw/m² und 70 kw/m² bzw. 75 kw/m²) und am SBI die Brennerleistung (33 kw und 51 kw) variiert. Grundsätzlich hatte für alle am Cone Calorimeter und im SBI untersuchten Stoffe mit Ausnahme von PUR-B3 die Variation des Energieeintrags eine Änderung der effektiven Verbrennungswärme und damit eine Änderung der zur Folge. Die Ergebnisse der am Cone Calorimeter ermittelten FIRGA-Werte zeigen, dass für die untersuchten Stoffe Fichtenholz, PS-B1, PUR-B2 und Spanplatte mit zunehmender Wärmestromdichte an der Probenoberfläche größere FIGRA-Werte erreicht werden. Für alle am SBI untersuchten Stoffe werden andere FIGRA-Werte gemessen als am

2 Cone Calorimeter. Dies zeigt sich auch bezüglich des Abbrandverhaltens der Stoffe. In Einzelfällen können sich die Werte um eine Größenordnung unterscheiden. Für die werden am SBI mit Ausnahme von PUR-B1 größere Werte ermittelt als bei den Messungen am Cone Calorimeter. Ob dies auf den Einfluss der unterschiedlichen Abmessungen der Prüfapparaturen zurückzuführen ist, konnte nicht geklärt werden. Ebenfalls nicht geklärt werden konnte, weshalb am SBI für MDF und n-heptan Werte der von größer als maximal 1,0 ermittelt werden. Dies sind Gründe dafür, dass für die Ermittlung der nur die mit dem Cone Calorimeter gemessenen Werte herangezogen wurden. Die Ergebnisse der zeigen am Beispiel Polyurethan-Hartschaum, dass mit geringer werdenden Anforderungen an den Baustoff von Baustoffklasse B1 zu B3 die Werte der zunehmen. Ob das auch für andere Baustoffe zutrifft, bedarf weitere Untersuchungen. Für die sind in der Literatur für Fichtenholz Werte von 0,69 bis 0,79, für Polyurethan Werte von 0,60 bis 0,88, für PS-B1 ein Wert von 0,69 und n-heptan Werte von 0,91 bis 0,93 angegeben. Für die wurde aus Messungen für Fichtenholz: 0,81 ±0,015, für PUR-B2: 0,74 ±0,023, für PS-B1: 0,70 ±0,026 und für n-heptan: 0,96 ±0,003 ermittelt. Die für die durch Messungen ermittelten Werte bestätigen die in der Literatur bekannten Werte, welche in der Praxis zur Ermittlung der Brandlastdichte herangezogen werden (s. Bild 2, Bild 3 und Bild 4). Fazit Ziel war es, zu überprüfen, ob die für Brandlastberechnungen nach DIN angewendet werden kann. Im Ergebnis des Forschungsvorhabens hat sich entsprechend bisheriger Erkenntnisse zur Bestimmung der das Cone Calorimeter als geeignete Prüfapparatur erwiesen (Bild 5). Das Cone Calorimeter ist allerdings nicht geeignet, den Temperatur-Zeit-Verlauf im Vergleichsbauteil zu bestimmen. Um die auf das Verfahren der DIN anwenden zu können, ist deshalb nach funktionellen Zusammenhängen zwischen der Wärmefreisetzungsrate und den Temperatur-Zeit-Verläufen im Vergleichsbauteil bei Abbrand von Stoffen zu suchen. Eckdaten Kurztitel: Brandlastberechnungen Forscher / Projektleitung: Christan Kusche M.Sc./ Dr. Christian Knaust Gesamtkosten: Anteil Bundeszuschuss: Projektlaufzeit: 18 Monate

3 χ [-] BILDER/ ABBILDUNGEN: Bild 1: Proben im Cone.emf Fichtenholz MDF PUR-B1 PUR-B2 PUR-B3 PS-B1 Spanplatte n-heptan Bildunterschrift: Am Cone Calorimeter untersuchte Stoffe Bild 2: _Cone _Cone Fichtenholz PS-B1 MDF n-heptan Span PUR-B1 PUR-B2 PUR-B3 Bildunterschrift: Am Cone Calorimeter ermittelte en

4 [-] Bild 3: Experimentell ermittelte Werte und Literatur.emf Stoff experimentell ermittelte Werte (Mittelwerte und Standardabweichung) Werte aus der Literatur Fichtenholz 0,81 ±0,015 0,69 bis 0,79 PS-B1 0,70 ±0,026 0,69 MDF 0,71 - PUR-B1 0,73 - PUR-B2 0,74 ±0,023 0,60 bis 0,88 PUR-B3 0,82 - n-heptan 0,96 ±0,003 0,91 bis 0,93 Spanplatte 0,81 - Bildunterschrift: Gegenüberstellung der am Cone Calorimeter ermittelten Werte der mit Werten aus der Literatur Bild 4: Gegenüberstellung_en_Cone_SBI.emf m-faktor [-] Fichtenholz (Cone) Fichtenholz (SBI) PS-B1 (Cone) PS-B1 (SBI) PUR-B1 (Cone) PUR-B1 (SBI) PUR-B2 (Cone) PUR-B2 (SBI) Span (Cone) Span (SBI) Bildunterschrift: Gegenüberstellung der aus den Messungen am Cone Calorimeter und am SBI ermittelten en und des der DIN entsprechenden m-faktors

5 Bestimmung Brennwert Heizwert Literaturwerte oder Bestimmung Heizwert nach DIN EN ISO 1716 Wasserbestimmung nach Karl-Fischer sowie durch Elementaranalyse Berechnung der Brandlastdichte bzw. Fire Load Density unter Berücksichtigung der Literaturwerte Bestimmung von mittels Cone Calorimeter Bestimmung bzw. oder Bestimmung bzw. Berechnung nach Gleichung 2-10 / 2-11 Bestimmung nach Gleichung 2-9 Masse Bestimmung von mittels Wägung Bild 5: Methode zur Bestimmung der für Brandlastberechnungen mittels Cone.emf Bildunterschrift: Methode zur Bestimmung der für Brandlastberechnungen

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