Probekörper nach Brandbeanspruchung ohne (links) und mit 2 kg/Kubikmeter PP-Fasergehalt [1] Quelle: iBMB, TU Braunschweig
Abb. 1: Probekörper nach Brandbeanspruchung ohne (links) und mit 2 kg/Kubikmeter PP-Fasergehalt [1] Quelle: iBMB, TU Braunschweig

Forschung

01. September 2021 | Teilen auf:

Die Entwicklung der Forschung im vorbeugenden Brandschutz

Schon unsere Vorfahren haben erkannt, dass die verheerenden Auswirkungen von Bränden nicht nur durch geeignete Löschmaßnahmen abgewendet werden können, sondern dass auch vorbeugende Maßnahmen beim Bau von Gebäuden zu berücksichtigen sind, damit die Wirkung möglicher Brände eingedämmt wird und erfolgreiche Löschmaßnahmen überhaupt möglich sind. Dem vorbeugenden Brandschutz kommt daher im Zuge der Abwehr von Brandgefahren eine besondere Bedeutung zu. In allen Bereichen gab es in den Jahren eine große Entwicklung und Fortschritte, die wesentlich effektivere vorbeugende Brandschutzmaßnahmen ermöglichen. Der Beitrag fokussiert sich im Folgenden auf einige wesentliche Entwicklungen im baulichen Brandschutz.

Dieser Beitrag ist 2021 im Rahmen des 25-jährigen Jubiläums der Marke FeuerTrutz in einer Sonderausgabe zum FeuerTrutz Magazin erschienen. Das E-Paper dazu ist kostenlos in der FeuerTrutz Medien App verfügbar.

Von Prof. Dr.-Ing. Jochen Zehfuß. Viele Jahre beschränkte sich der bauliche Brandschutz auf das Abschottungsprinzip, um einer ungehinderten Brandausbreitung vorzubeugen, dies manifestierte sich vor allem in Abstandsanforderungen, Vorgaben zur Ausbildung von Brandwänden und dem Feuerwiderstand von Bauteilen. Weiterhin wurden Vorgaben zu Rettungswegen (zulässige Entfernungen, Ausbildung von Treppenräumen etc.) gestellt. Diese Vorgaben resultierten i. W. aus Erfahrungen von realen Bränden sowie von Brandversuchen.

Mit dem Sonderforschungsbereich (SFB) 148 an der TU Braunschweig wurde in den 1970er und 1980er Jahren das Brandverhalten von Baustoffen und insbesondere das Feuerwiderstandsverhalten von Bauteilen systematisch untersucht. Ein wesentliches Ergebnis dieser Untersuchungen waren temperaturabhängige Materialgesetze für die Konstruktionsbaustoffe Beton und Stahl, mit denen erstmals eine zu Brandversuchen alternative rechnerische Beschreibung des Trag- und Verformungsverhaltens von Bauteilen unter Brandbeanspruchung möglich war. Damit war die Grundlage für die Brandschutzteile der Eurocode-Bemessungsnormen gelegt, in die die Erkenntnisse des SFB 148 eingeflossen sind.

Feuerwiderstandsverhalten von Bauteilen

In den folgenden Jahren wurde an der Verbesserung der Technologie der Baustoffe geforscht und es wurden in den Eigenschaften optimierte und höherfeste Baustoffe entwickelt. Beispiele hierfür sind Faserbetone, selbstverdichtende Betone, hochfeste und ultrahochfeste Betone und Stähle sowie brandschutztechnisch wirksame Bekleidungen für Holzkonstruktionen.

Forschung zu Betonbauteilen

Die Abplatzneigung von Betonen erhöht sich vor allem bei einer höheren Betonfeuchte, höheren Festigkeiten, hohen Spannungen und schnell ansteigenden Hoch-Temperaturbeanspruchungen. So erfolgen zerstörende Abplatzungen in der Regel in den ersten 20-30 Minuten eines Brandes.

Zur Verminderung der Abplatzneigung von Betonen wurden Ende der 1990er Jahre verschiedene Strategien entwickelt. Am erfolgversprechenden hat sich die Beimischung einer ausreichenden Menge an Polypropylenfasern (PP-Fasern) mit einem Richtwert von 2 kg/m³ herausgestellt (s. Abb. 1).

Die PP-Fasern erweichen bei Temperaturbeanspruchung, ihr Querschnitt vergrößert sich. Dies führt infolge des Aufbrechens der Mikrostruktur zu einer Rissbildung im Beton, es bildet sich ein Kapillarsystem, über das der die Abplatzungen verursachende Dampfdruck entweichen kann.

Aufgrund ihrer hohen Festigkeit eignen sich die seit den 1980er Jahren in Deutschland eingesetzten hochfesten Betone für hochbelastete Bauteile bei vergleichsweise geringen Querschnitten wie z. B. Stützen in Hochhäusern.

Hinsichtlich des Brandschutzes stellen sich folgende Herausforderungen: Die im Vergleich zu Normalbetonbauteilen geringeren Querschnittsabmessungen führen im Brandfall zu einer schnelleren Erwärmung und somit zu einer früheren Reduzierung der Festigkeitsbeiwerte.

Weiterhin steigt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens zerstörender Betonabplatzungen. In mehreren Forschungsarbeiten wurde das thermische und mechanische Hochtemperaturverhalten von hochfesten Betonen untersucht.

Die thermischen Eigenschaften werden weitgehend von der Gesteinskörnung beeinflusst, sodass der Unterschied zu Normalbeton vernachlässigbar ist. Eine stärkere Festigkeitsreduzierung als bei Normalbeton kann vor allem im Bereich zwischen 100 °C und 400 °C festgestellt werden.

Abb. 2: Festigkeitsreduzierung von hochfestem Beton im Vergleich zu Normalbeton nach [2] Quelle: iBMB, TU Braunschweig

Bei hohen Temperaturen ist die Festigkeitsreduzierung vergleichbar mit der von Normalbeton. Die Abbildung 2 zeigt die Festigkeitsreduzierung von Normalbeton und hochfestem Beton bis zu einer Festigkeit von 100 N/mm² nach [2]. Ein Konzept für die Verminderung der zerstörenden Abplatzungen ist die Beimischung von PP-Fasern.

In neueren Forschungsarbeiten werden Bewehrungen aus Kohlenstofffasern, Lamellen oder textilen Gelegestrukturen anstatt korrosionsanfälliger Stahlbewehrungen untersucht (Carbonbeton). Aufgrund der geringen Glasübergangstemperatur (< 100 °C) des Klebers sind textile Gelege, die in den Beton eingelegt werden, brandschutztechnisch vorteilhafter. Neueste Untersuchungen [3] zeigen, dass die Zugfestigkeit von Carbonbeton bei 200 °C auf ca. 80 % der Ausgangsfestigkeit absinkt, bei 300 °C noch ca. 60 % und bei 500 °C noch ca. 20 % der Ausgangsfestigkeit vorhanden sind. Für Carbonbetonbauteile sind daher höhere Betondeckungen oder zusätzliche Brandschutzmaßnahmen wie Bekleidungen erforderlich.

Forschung zu Stahlbauteilen

In den letzten Jahren erfolgten Forschungsarbeiten zur Untersuchung des Hochtemperaturverhaltens von hochfesten Stählen sowie zur Verbesserung von Brandschutzmaterialien bzw. ihrer Modellierung.

Der Festigkeitsabfall hochfester Stähle unterscheidet sich nicht grundlegend von den normalfesten Baustählen, der Herstellprozess hat jedoch einen Einfluss. In [4] wurde festgestellt, dass der thermomechanisch gewalzte Stahl S460M durch die Materialkennwerte abgedeckt ist, der normalisierte Feinkornbaustahl Stahl S460 N sich jedoch ungünstiger verhält.

Feuerverzinkte Stahlbauteile weisen im Vergleich zu blankem Baustahl ein günstigeres Erwärmungsverhalten auf. Dieses ist auf unterschiedliche Oberflächeneigenschaften, ausgedrückt durch den Emissionsgrad, zurückzuführen.

In [5] wurde ein zweistufiges Emissionsgradkonzept entwickelt, welches eine Halbierung des Emissionsgrades für feuerverzinkte Bauteile mit einer Oberflächentemperatur von bis zu 500 °C vorsieht, so dass für massige Profile ungeschützt eine R30-Ausführung ermöglicht wird.

In [6] und [7] wurden temperaturabhängige thermische Materialkennwerte für reaktive und passive Brandschutzmaterialien für die Aufheiz- und Abkühlphase erforscht, die eine wesentliche Voraussetzung für die Modellierung des thermischen Verhaltens sind.

Abb. 3: Holzoberflächen (hinten, rechts) nach dem Brandversuch ohne Einbrand [8] Quelle: iBMB, TU Braunschweig

Forschung zu Holzbauteilen

Im Vorfeld der Novellierung der MBO mit Einführung der GK 4 und der Muster-Holzbaurichtlinie Anfang der 2000er Jahre wurde das Brandverhalten der Holztafelbauweise systematisch untersucht. Im Ergebnis wurde die brandschutztechnisch wirksame Bekleidung entwickelt, durch die eine Entzündung von gekapselten Holzbauteilen sicher verhindert wird, so dass diese als gleichwertig zu massiven Bauteilen betrachtet werden können. Damit wurden Holzbauten in der GK 4 ermöglicht, jedoch selten realisiert, da die gekapselte Bauweise sich häufig unwirtschaftlich darstellte.

In aktuellen Forschungsarbeiten werden im Rahmen der Überarbeitung der Muster-Holzbaurichtlinie das Brandverhalten von Massivholzbauteilen sowie die brandschutztechnische Optimierung der Holztafelbauweise untersucht. Experimentelle und numerische Arbeiten zeigen, dass bei einer Beschränkung der ungeschützten Holzoberflächen auf eine Wand oder die Decke die konstruktionsbedingte Erhöhung der Brandlast unkritisch ist und ein Selbstverlöschen der brennenden Holzkonstruktion nach dem Abbrand der mobilen Brandlasten bei bestimmten Randbedingungen stattfinden kann (s. Abb. 3) [8].

Brandverhalten von nachwachsenden Rohstoffen

In verschiedenen Forschungsvorhaben wurden Lösungen für eine brandsichere Verwendung von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen (nawaRo) entwickelt.

Ziel der Arbeiten war die Verhinderung des Schwelens der nawaRo-Dämmstoffe bzw. der Begrenzung der Ausbreitung. Das Schwelen kann durch die Zugabe von Flammschutzmitteln (klassisch oder biobasiert) nicht verhindert werden.

Abb. 4: Brandsichere Ausführung eines Fassadensystems mit Holzfaserdämmung, links: Anordnung von Schwelbarrieren, Mitte: Dickschichtputz, rechts: Brandversuch Quelle: iBMB, TU Braunschweig

Im Ergebnis wurden daher zwei Strategien zur Unterbindung des fortlaufenden Schwelens bei Fassadensystemen mit nawaRo-Dämmstoffen in umfangreichen experimentellen Arbeiten entwickelt und in großmaßstäblichen Versuchen bestätigt (s. Abb. 4). Durch ein ausreichend leistungsstarkes und robustes Putzsystem mit entsprechender Putzdicke (ca. 25 mm) kann ein Schwelprozess verhindert werden.

Alternativ können Schwelbrandbarrieren aus nichtbrennbaren Baustoffen angeordnet werden (z. B. horizontal in der Geschosstrennebene und vertikal bei Trennwänden), durch die ein fortlaufendes Schwelen sicher gestoppt wird.

Naturbrandszenarien

Ein Schwerpunkt der Brandschutzforschung liegt im Bereich der Brandszenarien und der Brandeinwirkungen von natürlichen Bränden. Ausgehend von grundlegenden Arbeiten im Rahmen des SFB 148 wurden Verläufe von Wärmefreisetzungsraten erforscht sowie vereinfachte Brandmodelle (Parameterkurven, travelling fires) entwickelt.

Ein wesentlicher Meilenstein dabei war die Entwicklung eines Sicherheitskonzeptes für den baulichen Brandschutz [9], mit welchem ein einheitliches Sicherheitsniveau für Nachweise mit Naturbrandmodellen auch unter Berücksichtigung anlagentechnischer und abwehrender Brandschutzmaßnahmen ermöglicht wurde. Die CFD-Modelle sind mittlerweile im Rahmen brandschutztechnischer Nachweise etabliert. Hier gab es in den letzten 20 Jahren, verursacht durch die stetige Steigerung der Rechenleistungen und der Verbesserung der auf Brandschutzfragen zugeschnittenen Modelle, eine „stürmische Entwicklung“. Diese ist gestützt auf umfangreiche theoretische und experimentelle Forschungsarbeiten zu verbesserten Abbrand-, Pyrolyse-, Brand- und Rauchausbreitungsmodellen sowie der Optimierung des Wärmeübergangs zwischen Gas- und fester Phase.

Ausblick

Künftige Forschungsarbeiten im vorbeugenden Brandschutz werden sich an den aktuellen gesellschaftlichen Megatrends wie Klimawandel, Energiewende, Nachhaltigkeit und Digitalisierung orientieren. Die Art und Menge von brennbaren Materialien von Einrichtungsgegenständen und Baustoffen ist in einem Wandel, es werden verstärkt Kunststoffe und Baustoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, Leicht-Bausysteme und digital gefertigte Bauteile eingesetzt. Energiespeicher und Elektrofahrzeuge finden sich künftig regelmäßig in Gebäuden. Die dadurch veränderte Brandgefahr und Branddynamik sowie das Brandverhalten dieser Baustoffe und Bauteile erfordert eingehende Untersuchungen, um das bewährte Sicherheitsniveau weiterhin zu gewährleisten. Eine wesentliche Herausforderung wird die Entwicklung hochleistungsfähiger Prognosemodelle sein.

Hierfür sind experimentelle Arbeiten zur Bestimmung der Eingangsdaten für die Modelle sowie großmaßstäbliche Validierungsversuche erforderlich.

Literatur / Quellen

[1] Siemon, M.; Zehfuß, J.: Experimentelle Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten brandbeanspruchter Tunnelschalen. In: Bautechnik 94 (2017) S. 350-360).

[2] prEN1992-1-2:2021-01: Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1-2: General – Structural fire design. Draft version.

[3] Holz, C.; Curbach, M.: Zugtragverhalten von Carbonbeton unter Hochtemperaturbeanspruchung. In: Beton- und Stahlbetonbau 115 (2020), S. 231-240.

[4] Lange, J.; Wohlfeil, N.: Untersuchungen zum Werkstoffverhalten des Feinkorn-baustahls S 460 unter erhöhten Temperaturen. In: Bautechnik 84 (2007), Heft 10, S. 711-720.

[5] Mensinger, M.: Feuerwiderstand von feuerverzinkten, tragenden Stahlkonstruktionen im Brandfall. Schlussbericht IGF-Vorhaben Nr. 18887 N. TU München, 27.11.2018.

[6] Tabeling, F.: Zum Hochtemperaturverhalten dämmschichtbildender Brandschutzsysteme auf Stahlbauteilen. Dissertation Leibniz Universität Hannover, 2014.

[7] Zehfuß, J.; Sander, L.; Schaumann, P.; Weisheim, W.: Prüfverfahren für thermische Materialkennwerte von Brandschutzbekleidungen und reaktiven Brandschutzsystemen für die Bemessung von Stahltragwerken bei Naturbränden. Schlussbericht IG-Vorhaben Nr. 19176 N, TU Braunschweig und LU Hannover, 2018.

[8] Engel, T.; Brunkhorst, S. et al.: TIMpuls Grundlagenforschung zum Brandschutz im Holzbau. In: Bautechnik 97 (2020).

[9] Hosser, D. et al: Erarbeitung eines Sicherheitskonzepts für die brandschutztechnische Bemessung unter Anwendung von Ingenieurmethoden gemäß Eurocode Teil 1-2 (Sicherheitskonzept zur Brandschutzbemessung). Schlussbericht DIBt Az. ZP 52-5-4.168-1239/07, 2008.