Download - Brandverhalten von Holz und Holzwerkstoffen
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Brandverhalten von Holz und Holzwerkstoffen
Dipl.-Ing. Dirk Kruse
Neue Regelungen und Innovationen im Holzbau – Chancen für die Praxis
Dehne, Kruse & PartnerBrandschutzingenieureWindmühlenweg 2238518 Gifhorn
Tel.: +49(0) 5371 9376059Fax: +49(0) 5371 9376061Mail: [email protected]://www.kd-brandschutz.de
Gliederung
• Einleitung
• Verbrennungsprozeß und Pyrolyseschicht• Maßnahmen zur Verbesserung des
Brandverhaltens– Bemessung unter Berücksichtigung des
Abbrandes– Bekleidungen– Brandgeschützte Holzwerkstoffe
• Zusammenfassung
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
Verbrennungsprozess
Chemie der Verbrennung
• Die Verbrennung ist ein Spezialfall einer Redox-Reaktion bei der ein brennbarer Stoff durchSauerstoff oxidiert wird– Oxidation bedeutet eine Erhöhung der Oxidationszahl
eines Atoms– Reduktion ist die Abnahme der Oxidationszahl eines
Atoms
Verbrennungsprozess
Chemie der Verbrennung
• Zwei Typen der Oxidation– Langsame Oxidation, z.B. Rosten,
Fermentierung, Verrotung– Schnelle Oxidation, z.B. Feuer, Explosion
Verbrennungsprozess
• 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
Der Reaktionsmechanismus einer Verbrennung ist sehr schwierig zu beschreiben
Chemie der Verbrennung
Verbrennungsprozess
Die Anzahl der freien Radikale bei einer Verbrennung erhöht sich Exponential
Chemie der Verbrennung
H• + O2 OH• + O•
OH• + H2
H• + O2
H2O + H•
OH• + O• O• + H2 HO• + H•
Stufe
1
2
3
4 usw. usw.
Start-radikale
2
4
8
16
Verbrennungsprozess
Phasen der VerbrennungAufheizung und Trocknung der Randzonen
Verbrennung der brennbaren Gase
Pyrolyse des Holzes unter Freisetzung von brennbaren Gasen
Verbrennung des festen kohlenstoffhaltigen Rückstandes
Verbrennungsprozess
Verkohlungsprozess3 Zonen bilden sich aus
Holzkohleschicht wirkt isolierend
Wärmeleitfähigkeit ~ 0,1 W/mK
Pyrolysezone setzt weitere brennbare Gase frei / eingeschränkte Tragfähigkeit
Ungeschädigtes Holz / volle Tragfähigkeit
Abbrandgeschwindigkeit
Abbrandgeschwindigkeit nach DIN ENV 1995-1-2 für Bauholz der Festigkeitsklassen EN 338 und EN 1194
Bemessung
• Analog der DIN 4102-22 zweiMöglichkeiten:– Vereinfachtes Verfahren unter Ansatz ideeller
Restquerschnitte – Genaues Verfahren unter Berücksichtigung
reduzierter Festigkeiten und Steifigkeiten
Bemessung unter Berücksichtigung des Abbrandes
Bekleidungen
• 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
Ziel einer Bekleidung: Verzögerung der Entzündung / Erhöhung des Feuerwiderstandes
Bekleidungen
Brandgeschützte HWS
Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln
Energieverbrauchende Flammschutzmittel, z.B. Aluminium, Magnesiumhydroxid
Feuererstickende Brandschutzmittel
Verkohlungsfördernde, Sperrschicht- u. dämmschichtbildende Brandschutzmittel
Brandgeschützte HWS
Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln
Energieverbrauchende Flammschutzmittel
Entziehen dem Brandprozess Energie durch endothermeZersetzungsreaktion
Freisetzung von Wasser
Aluminiumhydroxid:
Ausbildung einer Verkohlungsschicht (Substratabhängig)
Verwendung: Kunststoffe / Textilien
Brandgeschützte HWS
Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln
Feuererstickende Flammschutzmittel
Unterbrechung des Radikalkettenmechanismus
Freisetzung von Halogenatomen
Gängige Vertreter: Chlorierte Paraffine, hochchlorierte bicycl. Verbindungen, Pentabromdiphenylether, Tetra-brombisphenol A, Tetrahalogenphthalsäureanhydride, Tris(2,3-dibrompropyl)-phosphat u. a. Bromverbindungen
Verwendung: Kunststoffe / Holz
Brandgeschützte HWS
Wirkung und Funktion von Flammschutzmitteln
Vergleichbar: roter Phosphor (Kunststoff) und Trischlorpropylphosphat
Verstärken die Bildung der natürlich entstehenden, unbrennbaren und wärmeisolierenden Holzkohleschicht
Abspaltung brennbarer Gase wird gleichzeitig reduziert
Verkohlungsfördernde Flammschutzmittel
Ammoniumphosphat + Energie → Ammoniak (feuererstickend) +Phosphorsäure (verkohlungsfördernd)
Brandgeschützte HWS
Vorteile brandgeschützter Holzwerkstoffe
Abhängig von der Primärbrandlast:
Entzündung wird verzögert oder verhindert
Zunächst geringe Rauchentwicklung
Unter Vollbrandbedingungen:
Abbrandgeschwindigkeit wird reduziert
Brandgeschützte HWS
Bewertung von Flammschutzmitteln (Quelle: Umweltbundesamt)
Bewertungszusammenfassung zu Flammschutzmitteln:I auf Anwendung sollte verzichtet werden • Decabromdiphenylether
• Tetrabrombisphenol A, additivII Minderung sinnvoll, Substitution Anzustreben • Tetrabrombisphenol A, reaktiv
• Tris(chlorpropyl)phosphatIII problematische Eigenschaften; Minderungsinnvoll
• Hexabromcyclododecan• Natriumborat-decahydrat (Borax)• Antimontrioxid
IV wegen Kenntnisdefiziten keine Empfehlungmöglich
• Bis(pentabromphenyl)ethan• Resorcinol-bis-diphenyl-phosphat• Pyrovatex CP neu• Melamincyanurat
V Anwendung unproblematisch • Roter Phosphor• Ammoniumpolyphosphat• Aluminiumtrihydroxid
Zusammenfassung
ZusammenfassungHolz 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