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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: kruse@kd-brandschutz.dehttp://www.kd-brandschutz.de

Gliederung

• Einleitung

• Verbrennungsprozeß und Pyrolyseschicht• Maßnahmen zur Verbesserung des

Brandverhaltens– Bemessung unter Berücksichtigung des

Abbrandes– Bekleidungen– Brandgeschützte Holzwerkstoffe

• Zusammenfassung

Einleitung

Feuer: Freund oder Feind ?

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

Abbrandgeschwindigkeit

Abbrandgeschwindigkeit (Lingens, 2004)

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

Video

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dehne, Kruse & PartnerBrandschutzingenieure

Windmühlenweg 2238518 Gifhorn

http://www.kd-brandschutz.de