Dieser Beitrag erläutert, neben einer Einführung zu den brandschutztechnischen Anforderungen an Bauteile und dem Brandverhalten von Baustoffen, die Anwendung und Nachweismöglichkeiten für reaktive Brandschutzbeschichtungen bzw. reaktive Brandschutzsysteme.
Von Thorsten Mittmann. Unter reaktiven Brandschutzbeschichtungen werden Beschichtungen verstanden, die bei Temperatureinwirkung reagieren und dann eine schaumartige Schutzschicht bilden. Je nach Schichtdicke und Untergrund können so unterschiedliche Feuerwiderstandsdauern realisiert werden.
Da die Produkte, z.B. auf Stahl, mit einer Grundierung und einem Decklack kombiniert werden, spricht man auch von "reaktiven Brandschutzsystemen", da die brandschutztechnische Schutzwirkung nur in dem System nachgewiesen wurde.
Die Systeme unterscheiden sich hinsichtlich der Anwendung im Innen- und Außenbereich, da diese Systeme auf Feuchtigkeit im Endanwendungszustand sensibel reagieren können. Die bekannten Systeme sind auf Lösemittel- oder Wasserbasis hergestellt. Sie können im Streich-, Roll- oder Airless-Spritzverfahren aufgebracht werden.
Vorteile der Beschichtungen sind, dass sie relativ dünn aufgetragen werden und so auch das gestalterische Element der Bauteile hervortreten lassen können. So kann Brandschutz und Gestaltung sehr gut in Einklang gebracht werden.
Sie stellen allerdings auch eine in brandschutztechnischer Hinsicht sehr anspruchsvolle Aufgabe dar, sodass die Arbeiten nur von Hersteller speziell geschulten Fachfirmen vorgenommen werden dürfen.
Brandschutztechnische Anforderungen an die Bauteile
Die grundsätzlichen Anforderungen ergeben sich aus den §§ 26-32 der Musterbauordnung (MBO [1]). Dort wird zum einen das Brandverhalten wie auch der Feuerwiderstand von den wesentlichen Bauteilen beschrieben.
Feuerwiderstand von Bauteilen
Der Feuerwiderstand von Bauteilen beschreibt die Eigenschaft eines Bauteils, einer genormten Brandbeanspruchung einer gewissen Zeit zu widerstehen, ohne dass es zu einem Versagen der Tragfähigkeit und/oder der raumabschließenden oder wärmedämmenden Eigenschaft kommt. Der Feuerwiderstand von Bauteilen ist daher durch eine Zeit in Minuten gekennzeichnet. Die in Deutschland maßgebenden Feuerwiderstandsklassen stellen Zeiten von 30, 60 und 90 Minuten dar.
Weiterhin wird die Eigenschaft "Feuerwiderstand" in Verbindung mit Bauarten verwendet. Bei Bauarten handelt es sich um Konstruktionen, die aus verschiedenen einzelnen Bauprodukten auf der Baustelle zusammengefügt werden (z.B. ein Stahlbauteil, das mit einem reaktiven Brandschutzsystem beschichtet wird). Daher ist es nicht möglich die Eigenschaft "Feuerwiderstand" mit einem einzelnen Produkt in Verbindung zu bringen, wie z.B. einem "F 90-Anstrich" oder einer "F 90-Platte". Hier ist immer die Gesamtkonstruktion (die zusammengefügten Produkte) mit den Anschlussrandbedingungen an die angrenzenden Bauteile zu betrachten.
Hinsichtlich des Feuerwiderstandes gelten grundsätzlich die Anforderungen der Bauordnung. Diese stuft in Abhängigkeit der Gebäudeklasse die Anforderungen ab. Die Anforderungen starten bei "ohne Anforderung" und enden im Rahmen der Musterbauordnung bei der Anforderung "feuerbeständig". Wichtig hierbei ist, dass mit diesen Begriffen kein Klassifizierungssystem (z.B. "F-Klasse" nach DIN 4102-2:1977-09 oder "Euroklasse" nach DIN EN 13501-2) vorgeschrieben wird. Allerdings wird mit diesen Anforderungen eine Einschränkung der Verwendung von brennbaren Baustoffen vorgenommen. Während die Anforderung "feuerhemmend" auch bei Verwendung von ausschließlich brennbaren Baustoffen erreicht werden kann, ist ein Erfüllen der Anforderung "feuerbeständig" nur möglich, wenn die tragenden und aussteifenden Teile der Bauteile aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen und bei raumabschließenden Bauteilen zusätzlich eine in Bauteilebene durchgehende Schicht aus nichtbrennbaren Baustoffen vorhanden ist. Ggf. wird im Gesetzestext eine weitere Einschränkung wie "ausschließlich aus nichtbrennbaren" Baustoffen vorgenommen. Insbesondere bei Bauarten, die über eine europäische Klassifizierung verfügen, muss diese Anforderung an die verwendeten Baustoffe überprüft werden, da es keine Kurzbezeichnung der Feuerwiderstandsklasse mit einer Kombination der jeweiligen Klasse des Brandverhaltens der in der Bauart verwendeten Produkte gibt. Dieses wird im nationalen Klassifizierungssystem z.B. durch F 30-A ermöglicht.
Diese Kurzbezeichnung steht für die Feuerwiderstandsklasse F 30, wobei ausschließlich nichtbrennbare Baustoffe verwendet werden.
Bei hochfeuerhemmenden Bauteilen dürfen die tragenden und aussteifenden Teile aus brennbaren Baustoffen bestehen. Allerdings muss gleichzeitig allseitig eine brandschutztechnisch wirksame Bekleidung aus nichtbrennbaren Baustoffen (Brandschutzbekleidung) und Dämmstoffe aus nichtbrennbaren Baustoffen vorhanden sein.
Brandverhalten der Baustoffe
Im Gegensatz zum Feuerwiderstand beschreibt das Brandverhalten eine Eigenschaft der verwendeten Produkte.
Hier werden verschiedene Klassen erreicht, die im europäischen Klassifizierungssystem auch einzeln miteinander kombiniert werden. Es wird unterschieden in
- nichtbrennbare,
- schwerentflammbare und
- normalentflammbare Baustoffe.
Baustoffe, die nicht mindestens normalentflammbar sind (d.h. es handelt sich um leichtentflammbare Baustoffe), dürfen nicht verwendet werden. Wenn sie in Verbindung mit anderen Baustoffen nicht leichtentflammbar sind, gilt dieses allerdings nicht mehr.
Auch bei den Anforderungen an das Brandverhalten wird im Rahmen der Bauordnung keine Festlegung auf das Klassifizierungssystem gemacht, d.h., die nationalen DIN-Klassifizierungen oder die europäischen Klassifizierungen gelten parallel. Im Rahmen der nationalen Klassifizierung des Feuerwiderstands einer Bauart ist die Angabe des Brandverhaltens der verwendeten Produkte im Rahmen der Kurzbezeichnung möglich. Im europäischen Klassifizierungssystem ist dieses nicht vorgesehen. Das bedeutet, dass Feuerwiderstandsklasse sowie die jeweilige Einstufung des Brandverhaltens der jeweils verwendeten Baustoffe für jede Bauart separat überprüft werden müssen. Die konkreten Anforderungen hinsichtlich des Brandverhaltens der verwendeten Baustoffe werden in der MBO gegeben. Bei reaktiven Systemen handelt es sich im Regelfall um brennbare Baustoffe, sodass die entsprechende nationale Kurzbezeichnung auf "F …-AB" bei Stahlbauteilen lautet.
Anwendung auf Stahlbauteilen
Stahl verliert bei ca. 500 °C seine Tragfähigkeit. Bei einer geringeren statischen Ausnutzung steigt diese kritische Temperatur an, d.h. es sind auch höhere Temperaturen am Stahlbauteil zulässig. Im Allgemeinen liegen den deutschen Nachweisen jedoch die 500 °C zugrunde.
Zur Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Stahlbauteilen stehen zwei Nachweismöglichkeiten zur Verfügung. Zum einen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung in Kombination mit einer allgemeinen Bauartgenehmigung (aBG) und alternativ eine Europäisch Technische Bewertung (ETA) in Verbindung mit einer aBG.
Die erreichte Feuerwiderstandsdauer hängt von dem vorhandenen Stahlprofil und der daraus für die Feuerwiderstandsdauer erforderlichen Schichtdicke ab. Bei ein und derselben Feuerwiderstandsdauer variiert die Schichtdicke.
Zur Bestimmung der erforderlichen Schichtdicke ist die Berechnung des U/A-Wertes erforderlich. Dieser Wert kennzeichnet das Verhältnis von Umfang zur Querschnittsfläche des Stahlbauteils. Dabei sind die beflammten Umfangflächen zu betrachten. Wenn z.B. auf einem Stahlträger eine Betonplatte aufliegt, werden nur die frei sichtbaren Flächen berücksichtigt. In DIN 4102-4 [3] sind Berechnungsformeln sowie vereinfachte Ansätze zur Berechnung vorhanden. Es gilt, dass geringe U/A-Werte ein massiges, schweres Bauteil darstellen, während hohe U/A-Werte filigrane und leichte Querschnitte abbilden. Mit steigendem U/A-Wert verringert sich die eigene Feuerwiderstandsfähigkeit des Bauteils, sodass die Brandschutzmaßnahme einen höheren Anteil übernehmen muss. Bei den reaktiven Systemen äußert sich dieses durch größer werdende Schichtdicken der reaktiven Komponente.
Die U/A-Wert oder A P /V Berechnung
In Deutschland ist für die Beschreibung eines Stahlprofils in brandschutztechnischer Hinsicht der U/A-Wert etabliert (s.o.). Dieser beschreibt den Umfang eines Stahlprofils im Verhältnis zu der Fläche des Stahlprofils. Hierfür liegen in DIN 4102-4:1994-03 Näherungsformeln zur Bestimmung vor. Der Wert kann aber auch genau berechnet werden.
In europäischen Verfahren wird dieser Verhältniswert als A m /V (für ungeschützten Stahl) oder A p /V (für brandschutztechnisch geschützten Stahl) angegeben. Der Berechnungsansatz entspricht aber dem, wie er bereits in der DIN 4102-4 verwendet wird. Weitere vereinfachte Berechnungswege für andere Beflammungssituationen in Kombination mit den Brandschutzmaßnahmen können nur DIN 4102-4:1994-03 entnommen werden. In DIN EN 1993-1-2 [4] sind vereinfachte Berechnungsansätze nur für ungeschützte Stahlbauteile enthalten.
Nachweise im bauaufsichtlichen Verfahren
Für die Nachweisführung stehen in Deutschland verschiedene Weg zu Verfügung, die in Abbildung 2 dargestellt werden.
Nachweis mit Kombi-Bescheid (abZ/aBG)
Der nationale Nachweis erfolgt mit einem Bescheid, der eine Kombination aus allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung (abZ) und einer Bauartgenehmigung (aBG) enthält. Die Regelung des Teils der abZ bezieht sich auf das Produkt und enthält Festlegungen für den Hersteller der Produkte (z.B. Kennzeichnung des Produktes, werkseigene Produktionskontrolle, Fremdüberwachung). Der Abschnitt für die Anwendung des Produktes (die Bauartgenehmigung) richtet sich an den Anwender der Bauart und enthält Angaben zu erforderlichen Schichtdicken, Untergründe, Bemessung, Bestimmungen für die Ausführung, Kennzeichnung der beschichteten Bauteile, Schulung der Verarbeiter, Unterhalt und Wartung. In Abbildung 3 ist dieser Zusammenhang zwischen den beiden Bescheiden grafisch dargestellt (siehe auch Artikel "Allgemeine Bauartgenehmigung").
Europäischer Nachweis (ETA oder hEN)
Europäische Nachweise können über eine harmonisierte technische Spezifikation hEN oder eine ETA geführt werden. Es liegt zwar eine Norm DIN EN 16623 [5] "Reaktive Beschichtungen für den Brandschutz von tragenden Bauteilen" vor. Diese ist allerdings nicht harmonisiert und kann daher nicht angewendet werden. Daher steht als europäischer Nachweisweg nur eine europäisch technische Bewertung (ETA) nach EAD 350402-00-1106 (ehemals ETAG 018 Teil 1 und 2) zur Verfügung.
Bei Anwendung solcher Produkte muss ein Blick in die Verwaltungsvorschrift des jeweiligen Bundeslandes geworfen werden, da dort weitergehende Anforderungen für das Produkt enthalten sind. Durch die in Abbildung 2 beschriebene Einschränkung im Anhang 4 der MVV TB [2] ist eine alleinige Anwendung auf Basis der Leistungserklärung des Produktes in Deutschland nicht möglich. Hierfür ist zusätzlich eine allgemeine Bauartgenehmigung erforderlich. Diese Bauartgenehmigungen tragen den Nummernkreis Z-19.51-…. und enthalten schlussendlich dieselben Inhalte, wie der Abschnitt der Bauartgenehmigung im rein deutschen Verfahren. In Abbildung 4 ist der Regelungszusammenhang dargestellt.
Anmerkungen zur praktischen Arbeit mit den Nachweisen
Der Anwender hat zu prüfen, ob die verwendete Beschichtung für die angedachte Anwendung überhaupt geeignet ist. Dazu gehört z.B. der Ort der Anwendung (innen/außen), Art der Profile (offen/geschlossen) und Art der Belastung (Druckglieder/Zugglieder). Die Anwendungsbereiche ergeben sich aus dem Abschnitt 1 der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung.
Bei den Verwendbarkeitsnachweisen handelt es sich um Systemnachweise. Das heißt, dass das gesamte System aus Grundierung, Haftvermittler, Dämmschichtbildner und Decklack nur aus nachgewiesenen Komponenten bestehen darf. Ein Austausch einzelner Komponenten mit denen anderer Hersteller ist nicht zulässig und kann die Wirkungsweise oder Dauerhaftigkeit negativ beeinträchtigen.
Im Rahmen der ETA-Nachweise besteht die Möglichkeit eine temperaturabhängige Festlegung der Trockenschichtdicke der dämmschichtbildenden Komponente vorzunehmen. Das bedeutet, dass bei einer höheren kritischen Temperatur des Stahlbauteils eine geringere Schichtdicke des Dämmschichtbildners erforderlich ist. Hier wäre eine auf den jeweiligen Einbaufall optimierte Anwendung möglich. Allerdings besteht der Nachteil, dass bei einer nachträglichen Erhöhung des Ausnutzungsgrades eine Nachbeschichtung erforderlich ist.
Bei Zugbauteilen ist unter bestimmten Randbedingungen die Anwendung bereits über die abZ abgedeckt.
Allerdings muss es sich bei den Bauteilen um offene Profile (I-, T-, L- oder U-förmige Querschnitte) handeln und der Ausnutzungsgrad im Brandfall µfi ≤ 0,5 betragen. Bei anderen Profilen oder höheren Ausnutzungsgraden kann der Nachweis nicht direkt über die abZ erfolgen und es ist z.B. eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. Im Rahmen der aBG für ein Produkt mit einer ETA sind diese Regelungen nicht enthalten.
Reaktive Brandschutzsysteme auf anderen Untergründen
Es gibt reaktive Brandschutzsysteme, die auch auf anderen Untergründen als Stahl angewendet werden dürfen. Hierbei handelt es sich z.B. um reaktive Systeme auf Holz. Diese führen aber nicht zu einer Feuerwiderstandsdauer, sondern meist zu einer Verbesserung des Brandverhaltens des Baustoffs von normalentflammbar zu schwerentflammbar. Hierdurch können Hölzer, die mit einer Schutzschicht versehen sind, in Bereichen verwendet werden, in denen "schwerentflammbare" Oberflächen vorgeschrieben sind.
Für Beton gibt es Ansätze zur Verbesserung der Feuerwiderstandsdauer. Allerdings ist hier zu berücksichtigen, dass beim Beton bei ca. 100 °C das enthaltene Wasser ausgetrieben wird, was der Wirkungsweise eines reaktiven Systems entgegensteht. Diese Systeme benötigen höhere Temperaturen, um die Schutzwirkung entfalten zu können. Für Aluminiumtragwerke starten auf europäischer Ebene gerade die Vorbereitungen für ein Normungsprojekt, um den Feuerwiderstand mit einer reaktiven Beschichtung zu erhöhen.
Zusammenfassung
Reaktive Brandschutzsysteme für tragende Bauteile stellen eine Möglichkeit dar, bei filigranen Konstruktionen die bauordnungsrechtlichen Schutzziele sicherzustellen. Die Anwendung ist komplex, sodass hohe Anforderungen an die auf der Baustelle verarbeitenden Unternehmen gestellt werden.
Der Hauptanwendungsfall sind Stahlbauteile, da auf diesem Untergrund nennenswerte Steigerungen der Feuerwiderstandsfähigkeit erzielt werden können. Aber auch auf anderen Untergründen können brandschutztechnische Verbesserungen erzielt werden.
In Deutschland werden parallel Kombi-Bescheide mit Regelungen zum Produkt und zur Anwendung des Produktes auf rein deutscher Basis sowie reine allgemeine Bauartgenehmigungen für Produkte mit Regelungen nach einer ETA vorhanden sein.
Autor
Dipl-Ing. Thorsten Mittmann: Leiter der Fachgruppe Bauwerke und Bauteile der MPA Braunschweig, Fachbereich Brandschutz. Obmann des DIN Normenausschusses NA 005-52-02 AA "Arbeitsausschuss Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen – Bauteile". Mitarbeiter in diversen nationalen und europäischen Normungsausschüssen im Bereich Brandschutz
Literatur
[1] Musterbauordnung (MBO), geändert durch Beschluss der BMK vom 22.02.2019
[2] Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) Ausgabe 2017/1
[3] DIN 4102-4:1994-03: Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen; Zusammenstellung und Anwendung klassifizierter Baustoffe, Bauteile und Sonderbauteile
[4] DIN EN 1993-1-2:2010-12: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall; Deutsche Fassung EN 1993-1-2:2005 + AC:2009
[5] DIN EN 16623 Beschichtungsstoffe – Reaktive Beschichtungen für den Brandschutz metallischer Substrate
Der Artikel ist auch in Ausgabe 6.2019 des FeuerTrutz Magazins (November 2019) erschienen.
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