Neue Entwicklungen und Normen im Bereich Brandschutzbeschichtungen

Transkript

1 Neue Entwicklungen und Normen im Bereich Brandschutzbeschichtungen Prof. Dr. M. Fontana, Dr. E. Raveglia Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich Fürst Laffranchi, Bauingenieure, Wolfwil SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai 2012 Datum Inhalt 1. Grundsätzliches zu reaktiven Brandschutzsysteme Wirkungsweise Typen Aufbau 2. Experimentelle Untersuchungen ETH Übersicht der Versuche SZS Bemessungsverfahren 3. Normen für reaktive Brandschutzbeschichtungen Bauproduktegesetz EU - CH SZS Bemessungsverfahren VKF RL SZS Stand der Technik ETAG ETA EN Intumeszierende Systeme auf Stahl EN Baustoffklassierung EN Feuerwiderstand SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

2 Wirkungsweise von reaktiven Brandschutzbeschichtungen Bei Hitzeinwirkung (ab ca. 120 C) schäumt die Beschichtung auf und bildet einen festen, kompakten, wärmeisolierenden Schaum Dieser Schaum bewirkt, dass der Stahl die für den Verlust der Tragfestigkeit massgebende Temperatur (ca. 500 C) erst nach 30 Minuten bei R30 resp. 60 Minuten bei R60 erreicht SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Wirkungsweise von reaktiven Brandschutzbeschichtungen Stahltemperatur Branddauer Stahltemperatur [ C] Branddauer[Min] SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

3 Dämmschichtbildende Anstriche - Typen Klassische 1-Komponenten Systeme: (lösemittelhaltige oder wasserbasierte Systeme) Reinigung (Strahlen SA 2 1/2) [Werk] Grundanstrich [Werk] Brandschutzanstrich [Baustelle] Eventuell Deckanstrich [Baustelle] 2-Komponenten Systeme auf Epoxid-Basis: Reinigung (Strahlen SA 2 1/2) [Werk] Grundanstrich (Fakultativ) [Werk] Brandschutzanstrich [Werk] SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Komponenten Systeme - Beschichtungsaufbau Brandschutzbeschichtungen sind ein System und beinhalten folgende Schichten: d g = 0.05 mm d p = mm d d = 0.05 mm SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

4 Beschichtungsaufbau (1-Komponentensysteme) Im Werk (vor Montage): Oberflächenvorbereitung durch Strahlung Sa 2½ gemäss ISO Systemverträgliche Grundbeschichtung SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Beschichtungsablauf (1-Komponentensysteme) Auf Baustelle: Montieren der grundierten Stahlkonstruktion Montagebeschädigungen reparieren Applikation Dämmschichtbildner im Airlessverfahren Qualitätssicherung (Schichtdickenmessung, Klimaprotokolle) SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

5 Beschichtungsablauf (1-Komponentensysteme) Qualitätssicherung auf der Baustelle bei Applikation: Messen der Nassschichtdicke mit Messkamm Klimakontrolle (Taupunktabstand) SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Beschichtungsablauf (1-Komponentensysteme) Qualitätssicherung auf der Baustelle (nach Applikation): Messen der Trockenschichtdicke vor Aufbringen der Deckbeschichtung durch Experten - Protokoll SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

6 Beschichtungsablauf (2-Komponentensysteme) Oberflächenvorbereitung durch Strahlung Sa 2½ gemäss ISO Systemverträgliche Grundbeschichtung (je nach System Fakultativ) Dämmschichtbildner (enge Verarbeitungszeiten 2-komponenten) Schichtdickenmessung und Klimamessungen QS Protokolle Nur zertifizierte Applikateure und Experten für Schichtdickenmessung Trockenzeiten kurz Transport und Montage Ausbessern von eventuell Montageschäden (sehr widerstandfähige Beschichtung) Vorteile: Abläufe weitgehend im Werk! SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Untersuchungen an der ETH Experimentelle Untersuchungen an 1-Komponenten Systemen (Dissertation E. Raveglia) Platten Stützen Geschlossene Profile Theoretische Untersuchungen: Einfluss von Fehlstellen (Experimentelle und numerische Untersuchungen) Bemessungsmodell für reaktive Systeme SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

7 Numerische Simulation von Brandversuchen an Stahlplatten SZS 13 Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Untersuchungen an der ETH Numerische Simulation von Stahlstützen mit lokal fehlender Brandschutzfläche 80 Feuerwiderstand in Abhängigkeit der fehlenden Brandschutzfläche N ed = 0.6 N k,rd HEA 200 Feuerwiderstand [Min] fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] SZS 14 Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

8 Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Charakterisierung der Verkleidungsmaterialien Die Wärmeleitfähigkeit Die Isolationswirkung von intumeszierenden Brandschutzsystemen ist charakterisiert durch die Wärmeleitfähigkeit λ: λ [W/m K] Unter der Wärmeleitfähigkeit λ versteht man die Wärmemenge, die während eines Zeitintervalls durch zwei gegenüberliegende Flächen eines Würfels aus Stahl von 1 m Kantenlänge fliesst, wenn die Temperatur dieser beiden Flächen um 1 C verschieden ist und die übrigen Seitenflächen des Würfels gegen Wärmeabgabe isoliert sind SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Charakterisierung der Verkleidungsmaterialien Die Wärmeleitfähigkeit Stahlteil Verkleidung λ gross SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

9 Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Charakterisierung der Verkleidungsmaterialien Die Wärmeleitfähigkeit Stahlteil Verkleidung λ klein SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit 1100 Stütze HEA Stütze HEA 200 A p/v = 212 m -1 d p= mm Stahltemperatur Θ a [ C] A p/v = 212 m -1 d p= mm Stütze IPE 200 A p/v = 269 m -1 d p= mm Stütze HEM 280 A p/v = 70 m -1 d p= mm Stütze HEB 450 A p/v = 95 m -1 d p= mm Brandzeit [Min] SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

10 Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Stahltemperatur Θ a [ C] 1100 Stütze HEA A p/v = 212 m -1 Stütze HEA 200 d p= mm 900 A p/v = 212 m -1 d p= mm Stütze IPE A p/v = 269 m -1 Stütze HEM 280 d p= mm A p/v = 70 m d p= mm Stütze HEB 450 A p/v = 95 m d p= mm Brandzeit [Min] Grundgleichung für die Bestimmung von λ (EN ) : λ A Θ = ( Θ Θ ) t p p a g a dp ca ρa V SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit 800 Θ = λp Ap a ( g a) t d c ρ V Θ Θ p a a 700 Stütze IPE 200 A p/v = 269 m -1 d p= mm Temperatur λ [W/m K] C Stahltemperatur Θ a [ C] C C C C C Zeit [Min] C C Bezüglich der Trockenschichtdicke SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

11 Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ p = f (C 0 + C 1 Θ d + C 2 d p + C 3 (A p /V)) Stahltemperatur Trockenschichtdicke Profilfaktor SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Euronomogramm SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

12 Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme Euronomogramm SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Bemessungsmodell für reaktive Brandschutzsysteme z.b. IPE C A m /V = 226 m -1 Θ cr = 588 C d p R60: 1.8 mm Euronomogramm SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

13 Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Brandschutzbeschichtungen sind Bauprodukte mit Anforderungen für: Inverkehrbringen (darf das Produkt verkauft werden?): CH: Zuständig Bund (BPG, BPV) EU: CPR (CPD) ETAG 018 CE Zeichen (Basis ETA) R (keine Einschränkung) Anwenden (wo darf das Produkt angewandt werden?): Zuständig Kantone (Konkordat: IOTH, VKF) VKF Brandschutzanwendung und Brandschutzregister VKF Brandschutzerläuterung 1008 Stand der Technik Papier SZS C2.5 Objektbezogene Anwendung (nur R30 und R 60) Hohe QS- Anforderung SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Ausführung: Brandschutzsysteme sind sicherheitsrelevant (ähnlich wie Schweissnähte) An die Ausführung und Qualitätssicherung von Brandschutzanstrichen werden hohe Anforderungen gestellt. Es dürfen z.b. nur Produkte verwendet werden, die von der VKF eine Anerkennung haben (Ausnahmen müssen von der kantonalen Brandschutz-behörde bewilligt werden) Die Abläufe sind strikte geregelt (SZS C2.5) und ihre Einhaltung wird von der Brandschutzbehörde verlangt. SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

14 Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Ausführung (Stand der Technik Papier SZS C2.5): Es sind insbesondere folgende Punkte einzuhalten: 1. Nur Produkte mit VKF Anerkennung 2. Objektbezogene Bewilligung vorgängig einholen 3. Qualitätssicherung mit Protokollen 4. Anwendung in feuchter Umgebung nur mit entsprechenden Produkten 5. Schutz vor mechanischer Beschädigung 6. Platz für Aufschäumen (ca. 80 mm) 7. Ausführung nur durch zertifizierten Applikateur 8. Prüfung durch zertifizierten Experten 9. QS-Dokumente an Behörden 10. Kennzeichnung 11. Event. kantonale Zusatzauflagen SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Handlungsbedarf: CH Anerkennung der europäischen Produktenormung (EN , Brennbarkeit ) und Anpassung der CH Regelungen (Brandschutzerläuterung 1008) Ablösung VKF Auswertungsverfahren 2005 durch EN zusammen mit Sollschichtdicken nach EN ) Vertrauensvolle Anwendung der Brandschutzsysteme durch Marktteilnehmer Anpassung der Vorschriften (Optimierung C2.5 gemäss Abläufe auf der Baustelle) Verhältnismässige Anwendung der Vorschriften (im Vergleich zu anderen Schutzmassnahmen) SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

15 Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Produkte Normierung Reaktive Beschichtungssysteme im Stahlbau: 1. EN Ausführung von Stahltragwerken und Aluminium Tragwrken Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken. 2. SN EN ISO "Beschichtungsstoffe - Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme" 3. Eurocode 3 EN Eurocode 3 EN (Brandschutz) 5. ETAG 018 Fire Protective Products Part 1. General and Part 2: Reactive Coatings for Fire Protection of Steel Elements: CPD 76/769/EEC Hygiene Prüfnorm Steel elements proteced by reactive coatings Brennbarkeit Material Klasse E Brennbarkeit Anstrich SBI Klasse B Feuerwiderstand von Bauteilen EN R,E,I ETA (Für bestimmtes Produkt ausgestellt von einem EOTA Mitglied) 7. CE Zeichen 8. CH: VKF Brandschutzanwendung (Anerkennung) 9. SZS C2.5 Anwendung und Qualitätssicherung SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Beispiel Produkte Normierung SIKA Platinum: 1. ETA 11/0014 (Warrington) Anwendung auf Träger oder Stüzen ohne Primer möglich inkl. Schwelbrandtest. Auswertung graphisch gemäss EN Auf der Grundlage ETAG ETAG 018 Fire Protective Products Part 1. General and Part 2: Reactive Coatings for Fire Protection of Steel Elements: Prüfnorm Steel elements proteced by reactive coatings Brennbarkeit Material Klasse E Brennbarkeit Anstrich SBI Klasse B 3. VKF Brandschutzanerkennung sobald EN in CH bezeichnet und im Bundesblatt publiziert. 3. Anwendung gemäss SZS C2.5 (An Werkstattsauführung angepasst) SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

16 Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Hinweis zur Schichtdickenfestlegung: Generell gibt es zwei Möglichkeiten zur Schichtdickenfestlegung: 1. Mit Brandschutzregister 2. Rechnerisch mit Ausnutzungsgrad Die Anerkennung der Brandschutzanstriche durch die VKF erfolgte bisher auf der Grundlage von deutschen Versuchen und Zulassungen mit einer festen Schichtdicke für R30 und R60 diese sind im VKF Brandschutzregister festgehalten. Unter Berücksichtigung des Ausnutzungsgrades können die Schichtdicken angepasst werden. Das rechnerische Verfahren dazu wurde entwickelt und oben erläutert. Entsprechende Tabellen wurden für einige Produkte erarbeitet und stehen auf der Website des SZS zur Verfügung. Mit der neuen EN werden die Zulassungen direkt Schichtdickentabellen enthalten. Die VKF wird diese voraussichtlich in die Brandschutzanerkennung einschliessen. SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai Regelungen für dämmschichtbildende Brandschutzsysteme Hinweis zur Schichtdickenfestlegung: 1. A/V und Ausnutzungsgrad µ haben einen sehr grossen Einfluss auf die erforderliche Schichtdicke 2. Die Zulassung nach DIN bzw. VKF basiert auf 500 (bzw. µ 0.58 DIN) und nimmt keine Rücksicht auf der Ausnutzung 3. Der rechnerische Nachweis nach Norm SIA 260/Euronomogramm berücksichtigt den vorhandenen Profilfaktor und die Ausnützung. Sie ist bei Isolationen mit Platten und Putzen schon lange eingeführt 4. Der rechnerische Nachweis ist auch für dämmschichtbildende Anstriche anwendbar 5. Der Einfluss von µ und A/V auf die Schichtdicke ist ähnlich gross wie bei Putzen oder Sprays Als Planungshilfen wurden Schichtdickentabellen erarbeitet und auf der Website des SZS publiziert. (In Zukunft werden Produkte die nach EN zugelassen und die Schichtdickentabellen werden vermutlich bereits in der VKF Anwendung enthalten sein) SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai

17 Zusammenfassung Reaktive Brandschutzsysteme werden laufend weiterentwickelt (wasserbasiert, 2-Komponenten, geschlossene Profile ) Bemessungsverfahren sind vorhanden und neue Produkteund Prüfnormen werden bald in der Schweiz eingeführt Die EN ist ähnlich zu der bisher in der Schweiz verwendeten Methode mit vom Ausnutzungsgrad abhängigen Schichtdicken Brandschutzsysteme sind sicherheitsrelevant und verlangen eine angemessene Qualität Das SZS hat ein Stand der Technik Papier C2.5 entwickelt, welches von der VKF anerkannt wurde und die Abläufe streng regelt. Dieses ist strikt einzuhalten Reaktive Brandschutzsysteme ermöglichen sichtbare Stahlbauten bei hohem Feuerwiderstand SZS Steel Inn, SIKA AG, Zürich, 23. Mai