Grundlagen und Ingenieurmodell für den Nachweis von Holzbauteilen mit Hochleistungsbrandschutzbeschichtungen

Hollmann, Dirk Walter

Die Musterbauordnung erlaubt den Einsatz von Holzkonstruktionen bis einschließlich der Gebäudeklasse 4. Die tragende und aussteifende Holzkonstruktion muss dazu jedoch durch eine brandschutztechnisch wirksame Bekleidung aus nichtbrennbaren Baustoffen gekapselt werden. Ein neuer Ansatz zur Vermeidung einer Entzündung im Brandfall ist der Einsatz einer Hochleistungsbrandschutzbeschichtung, die als deckender oder transparenter Anstrich auf die Holzbauteile aufgetragen wird. Unter Temperatureinwirkung bildet sie eine voluminöse Schicht, die das Holz isoliert und seine Entzündung hinauszögert. Der Entzündungsschutz durch industriell gefertigte Produkte kann nach derzeitigem Stand der Forschung über mehr als 30 Minuten Normbrandbeanspruchung wirksam sein. Mit der Hochleistungsbrandschutzbeschichtung lassen sich die gleichen Schutzziele wie mit einer Bekleidung zuverlässig erreichen, obwohl die Beschichtung selbst ein brennbarer Baustoff ist. Der planende Ingenieur benötigt ein Bemessungswerkzeug, mit dem die Wirkung der Beschichtung auf den Entzündungsschutz und auf die Tragfähigkeit brandbeanspruchter Holzbauteile quantifiziert werden kann. Hierfür wird ein deterministisches Ingenieurmodell entwickelt. Dieses wird durch ein semiprobabilistisches Sicherheitskonzept ergänzt, um die Einhaltung der gleichen Zuverlässigkeit wie bei Bauteilen mit Bekleidung nachweisen zu können. Das Modell wird anhand von Brandversuchen und Simulationsrechnungen überprüft und kalibriert. Parameterstudien haben gezeigt, dass sich die Tragfähigkeit von Balken und Stützen bei 30-minütiger Normbrandbeanspruchung durch die Beschichtung deutlich steigern lässt. Schlanke Holzstützen, die allein eine Feuerwiderstandsdauer von 30 Minuten nicht erreichen, können in Verbindung mit einer transparenten Beschichtung für einen Entzündungsschutz von weniger als 30 Minuten in die Feuerwiderstandsklasse R 30 eingestuft werden.

The German model building code allows timber constructions up to ”Class IV” with five storey buildings. In this case the load bearing and stiffening components have to be encapsulated by a non-flammable cladding to prevent their ignition when a fire occurs. A relatively new approach to avoid the ignition in case of a fire is the use of High Performance Fire Resistance Coatings (HPFRC) which are applied on timber components such as ordinary opaque or transparent paints. Under exposure to high temperatures it forms into a voluminous foam which insulates the wood and prevents ignition or at least delays it for some time. According to the state-of-the-art in science and research the ignition protection can be effective for more than 30 minutes under standard (ISO) fire exposure. In this work it is shown that HPFRC can reach the same fire safety objectives as non-flammable claddings although the coating itself is a flammable material. The designing engineer needs a tool to quantify the protective effect of the coating both in terms of preventing ignition as well as the load bearing capacity of timber members during the fire process. For this reason, a deterministic design model was developed which is supplemented by a probabilistic safety concept to ensure the generally accepted safety levels in a quantitative manner. The developed model has been calibrated with various fire tests and simulations. On the basis of the design model, extensive parameter studies were performed. They have shown that load bearing capacity of beams and columns can be significantly improved for a standard (ISO) fire of 30 minutes. Slender columns that cannot reach a fire resistance rating of 30 minutes without any cladding or coating can be improved to European class R 30 rating using a transparent HPFRC which prevents ignition for less than 30 minutes.

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Hollmann, Dirk: Grundlagen und Ingenieurmodell für den Nachweis von Holzbauteilen mit Hochleistungsbrandschutzbeschichtungen. 2011.

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