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 Brandverhalten von Stahl-Polyurethan- Sandwichelementen (Langzeiterfahrungen) Im modernen Industrie- und Gewerbebau nimmt der Stahlleichtbau seit vielen Jahren eine vorrangige Stellung ein. Die Gründe dafür sind vielschichtig, entscheidend sind vor allem Termin- und Kostenfragen. Neben der ein- und zweischaligen Bauweise mit Stahltrapezprofilen sind nunmehr seit über 30 Jahren auch Stahl - Polyurethan - Sandwichelemente nicht mehr vom Markt wegzudenken. War in der Anfangszeit der Einsatz der Elemente auf die nichttragende Außenwand beschränkt, so werden inzwischen weltweit auch Dach- und Torelemente mit steigender Tendenz hergestellt und eingesetzt. Die herausragenden Merkmale der Elemente sind: Stahl-Sandwichelemente mit Polyurethankern sind großflächige Kernverbunde, bestehend aus beidseitig bandverzinkten und zusätzlich kunststoffbeschichteten Stahlblechen mit einem Stützkern aus Polyurethan-Hartschaumstoff. Sie werden auf kontinuierlich arbeitenden Anlagen hergestellt und nach der Aushärtung des Schaumstoffes auf die geforderten Längen abgetrennt und automatisch verpackt. Der in den Elementen eingesetzte Polyurethan - Hartschaumstoff ist zwar wärmedämmtechnisch unübertroffen, jedoch grundsätzlich brennbar wie alle organischen Stoffe. Gerade in der Anfangszeit wurden daher mangels ausreichender Erfahrungen sowohl von Architekten und Kunden, als auch in besonderem Maße von Bauaufsichtsbehörden, Feuerwehren und Sachversicherern oftmals erhebliche Bedenken hinsichtlich des Verhaltens bei nicht auszuschließenden Bränden geäußert. Dies, obwohl in den Bauordnungen der Länder sowie in den zugehörigen Richtlinien und Verordnungen eindeutige Regelungen für die Verwendung brennbarer Baustoffe im Hochbau enthalten waren. Nach nunmehr langjähriger weltweiter Bewährung der Elemente liegen auch über das Verhalten in Brandfällen umfangreiche Erfahrungen und Erkenntnisse vor. Die nachfolgenden Ausführungen stützen sich daher auf eine Vielzahl von aufgetretenen Brandfällen, sowie auf durchgeführte Klein- und Großbrandversuche. 1 Typische Brandfälle In den Bereichen der direkten Einwirkung von Flammen
bzw. Brandhitze wurden die Elemente durch Ausbrennen des Schaumstoffkernes
beschädigt oder zerstört.
Ausgebrannt und verformt sind die vom Feuer beaufschlagten freien Bereiche der Wand. Die durch Stützen bzw. Binder abgeschotteten Bereiche mit erhaltenem Verbund sind deutlich erkennbar. Die geradlinige Abgrenzung zeigt, dass der Brand im Inneren der Elemente nicht weitergelaufen ist. (Bild 2)
Kommentar der Feuerwehr: "Wie bei ähnlichen Hallenbränden bereits festgestellt, hat das Dach wesentlich zur schnellen Brandausbreitung beigetragen. Bitumen und Kleber ergossen sich brennend auf das reichlich vorhandene Lagergut. Anders bei den Außenfassaden. Hier brannte die Polyurethan-Schaumschicht nur bei direkter Beaufschlagung mit Feuer". 1.3 1984, Produktionshalle für Holzleimbinder Die günstige Auswirkung einer Abschottung auf den Sandwichverbund ist besonders deutlich am Übergang von der Außenwand zum Dach erkennbar. (Bild 3)
Selbst nach einem mehrstündigen Brandverlauf sind hier noch Zonen des Schaumstoffkernes sowie des verwendeten Dichtbandes erkennbar. Bei diesem Brandfall konnten auch Erkenntnisse zum Verhalten der eingesetzten Sandwich-Dachelemente gewonnen werden. Die Trapezprofiloberschale ist im Verlauf des Brandes nicht eingestürzt, sondern als temporärer Wetterschutz erhalten geblieben. Im Inneren der Dachelemente wurde der Brand nicht weitergeleitet, eine Trennwand des Gebäudes wurde nicht überlaufen. (Bild 4)
Versagt das Tragwerk, z.B. ungeschützter Stahl (Bild 5)
dann können die nichttragenden Sandwichelemente allein den Einsturz der Konstruktion und damit einen Totalschaden nicht verhindern. 2. Brandversuche Aus allen bisher bekannt gewordenen Brandfällen
lässt sich bereits eine relativ defensive Beteiligung der Stahl-
Sandwichelemente mit Polyurethankern am Brand-geschehen erkennen. 2.1 DIN 4102, Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen Die Prüfung der Elemente erfolgt im Brandschacht mit der üblichen Fuge in Probenmitte. Die Beurteilung erfolgt zunächst an den Deckschalen (Bild 7) und anschließend an der freigelegten Kernschicht. (Bild 8)
Der plattenförmige Prüfkörper mit in der Mitte eingesägter Nut im Deckblech wird der Einwirkung eines Flächenstrahlers ausgesetzt. (Bild 9 und 10)
Daneben sind weitere Prüfkriterien zu erfüllen. Eine entsprechende Prüfung und Einstufung ergab: Classement M1.
Im Rahmen der europäischen Harmonisierung ist der SBI-Test (Single Burning Item Test) vorgesehen. Um hier die Chancen der gängigen Elemente abzuschätzen, wurde ein Versuchstest mit einem dicken Element und einer ursprünglich nicht vorgesehenen Fuge im Brennerbereich durchgeführt. Nach Ablauf der Versuchsdauer kam das Feuer im Prüfelement zum Erlöschen (Bild 11).
Zur Orientierung wurde eine Prüfung nach der heute nicht mehr angewendeten o.g. Norm durchgeführt. Nach Ablauf der Prüfdauer von 15 Minuten wurde die verbliebene Brandlast entfernt und die Flammen im Prüfkörper verlöschten nach kurzer Zeit. (Bild 13) Auch diese Prüfung zeigte nur eine geringe Schädigung des Schaumstoffkernes im direkten Flammenbereich. (Bild 14)
Sowohl der Room Fire Test (Bild 15 und 16) als auch die Prüfung der Oberflächenbrenneigenschaft des Schaumstoffkernes nach ASTM E84 - 79a und die Prüfung des sog. Convective Flame Spread Parameters wurden bestanden und führten zur Aufnahme der Elemente in den FMRC Approval Guide.
2.6 Großbrandversuch Zur Simulation einer Brandentstehungsphase sowohl bei der Montage als auch bei eventuellen Reparaturarbeiten wurde ein Großbrandversuch durchgeführt. Zur Verschärfung der Situation wurde die Deckschale auf der Feuerseite bis zu einer Höhe von 1,5m entfernt. Damit war die unmittelbare Beflammung des damals noch zulässigen B3 - Schaumstoffkernes gewährleistet. Der Versuch ergab, dass auch in einer extremen Reparatursituation nur ein limitierter Mitbrand eines freiliegenden Schaumstoffkernes und der unmittelbaren Nachbarbereiche zu erwarten ist. (Bild 17 und 18)
2.7 Reparatur-Phase Für eine zusätzliche Rohrdurchführung wurde unsachgemäß mit einem Schweißbrenner eine runde Öffnung in eine Deckschale gebrannt. (Bild 19)
Nach Entfernen des Brenners kam es nach einigen Sekunden zum Verlöschen der Flammen im Element. Auf der abgewandten Deckschale war nur eine kaum sichtbare Aufbeulung festzustellen. Eine Verfärbung des Lackes trat nicht ein. Nach Entfernen der Deckschale auf der beflammten Seite wurde eine nur geringe Beanspruchung des Schaumstoffkernes festgestellt. (Bild 20)
2.8 Naturbrandversuch Im Rahmes eines Naturbrandversuches an einem mehrgeschossigen Büro- und Laborgebäude wurde auch das Verhalten der Sandwichelemente beobachtet, die auch hier ihr günstiges Brandverhalten unter Beweis stellten. (Bild 21)
Der erste Versuch im 2. Obergeschoss führte nicht zu einem Übergreifen des Brandes auf die darüber liegende Etage. (Bild 22)
Nach Ablauf des Versuches im 3. Obergeschoss kam nach Verlöschen der Brandlast das Geschehen auch hier von allein zum Erliegen. Löschmaßnahmen wurden in beiden Fällen nicht vorgenommen. 2.9 BVD Vollbrandversuch Um das Verhalten der Sandwichelemente im Vollbrand festzustellen, wurde ein wirklichkeitsnaher Versuch vorgenommen. (Bild 23)
Auch hier zeigte sich nach Entfernen der beflammten Deckschale, dass eine Weiterleitung des Brandes im Inneren der Elemente nicht erfolgte. (Bild 24)
2.10 Großbrandversuch an einem Sandwichdach Im direkt beflammten Bereich des Versuchsdaches kam
es erwartungsgemäß zum Ausbrennen des Dämmstoffkernes.
Am Querstoß über einer Trennwand zum Beobachtungsraum erfolgte
jedoch keine Brandweiterleitung
Damit wurde das aus realen Brandfällen bereits bekannte Verhalten des Sandwichverbundes auch hier bestätigt. 3. Ermittlung der Rechnerischen Brandbelastung Ein weiterer nicht unwesentlicher Aspekt zur Beurteilung der Elemente und insbesondere zur Risikoabschätzung bei der vorgesehenen Anwendung ist die Ermittlung der Rechnerischen Brandbelastung qR nach DIN 18230, "Baulicher Brandschutz im Industriebau". Als Ergebnis einer solchen Berechnung kann festgehalten
werden: Damit liegt die durch die Sandwich-Elemente bedingte Erhöhung der vorhandenen Brandbelastung im allgemeinen an der Untergrenze des üblicherweise anzusetzenden Sicherheitszuschlages. Entsprechend gering sind demzufolge auch die Auswirkungen auf die erforderliche Ausführung der tragenden Konstruktion sowie auf die Gesamtwärmebilanz eines Brandes. 4. Ansicht der Sachversicherer, Bauämter und Feuerwehren Unter dem Gesichtspunkt des Sachschutzes, d.h. der möglichen Erhaltung der Gebäudesubstanz im Brandfall stellen die Sachversicherer gegenüber der Bauordnung im allgemeinen höhere Anforderungen an die Bauausführung. Eine brandschutztechnisch aufwendige - und damit meist auch erheblich teuere Bauweise wurde daher in der Vergangenheit maßgeblich über die Prämienhöhe zur Feuerversicherung entsprechend den geltenden Definitionen der Bauartklassen honoriert. Hier hat sich im Laufe der Jahre ein allmählicher Wandel in Richtung "Brandschutz nach Maß" vollzogen. Die Bedeutung der Bauweise dokumentiert sich heute im Rahmen des brandschutztechnischen Gesamtkonzeptes einerseits in der tragwerksorientierten Einstufung der Gebäude, andererseits in den angepassten Zu- bzw. Abschlägen zum Grundprämiensatz der Neutralen Klasse N. Das nachgewiesene Verhalten der Stahl-Sandwichelemente mit Polyurethankern hat dazu geführt, dass derartige Gebäudekonstruktionen in die Neutrale Klasse N eingestuft werden, sofern die Tragwerke mindestens feuerhemmend sind. Auch die zuständigen Bauämter und Feuerwehren haben ihre anfangs berechtigte Zurückhaltung bzw. Ablehnung bezüglich des Einsatzes dieser Elemente nach Kenntnisnahme diverser Brandfälle und - versuche revidiert und erheben in der Regel keine besonderen Bedenken gegen den Einsatz.
Als Ergebnis verschiedener Klein- und Großbrandversuche sowie einer Vielzahl von realen Brandfällen lassen sich folgende Erkenntnisse zusammenfassen: * Die aus genormten Kleinversuchen gewonnenen Erkenntnisse
zur Bestimmung der Brennbarkeit werden durch das Verhalten der Elemente
in der Praxis voll bestätigt. * Das Öffnen der Verbindungsfugen im Brandbereich
bewirkt eine deutliche thermische Entlastung der tragenden Konstruktion.
Dies wirkt sich positiv auf deren Standdauer aus und erlaubt darüber
hinaus den gezielten Einsatz von Strahlrohren, was von der Feuerwehr begrüßt
wird.
Das Brandverhalten der Stahl -Sandwichelemente mit Polyurethankern ist so, wie es von einem schwerentflammbaren Baustoff erwartet werden kann. Eine unmittelbare Risikoerhöhung ist bei bestimmungsgemäßem Einsatz nicht gegeben. Hans Fritz Karst
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