Thermische Materialeigenschaften von Brandschutzmaterialien für Naturbrandbeanspruchungen

Zum Schutz von Stahlbauteilen vor einer Brandeinwirkung können Brandschutzmaterialien in Form von Brandschutzplatten, Brandschutzputzen oder reaktiven Brandschutzsystemen zur Anwendung kommen. Ihre thermische Schutzwirkung führt zu einer verzögerten Erwärmung des zu schützenden Stahlbauteils und gewährleistet dadurch einen ausreichend langen Feuerwiderstand. Die Brandschutzmaterialien werden i. d. R. anhand von Brandprüfungen nach der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) ausgelegt und entsprechende Verwendbarkeitsnachweise erstellt. Eine detaillierte Kenntnis der thermischen Materialeigenschaften der Brandschutzmaterialien ist hierfür nicht erforderlich. Die bauaufsichtlich eingeführten Eurocodes ermöglichen neben der Standardbemessung nach der ETK grundsätzlich auch eine leistungsbasierte Bemessung für ein natürliches Brandszenario. Im Gegensatz zur ETK, die von einem schnellen und kontinuierlichen Temperaturanstieg ausgeht, wird bei einem Naturbrandszenario ein realistisches Modell eines Brands (Entwicklungsphase, Vollbrand und Abkühlphase) abgebildet, dessen Verlauf in Abhängigkeit von den vorhandenen Brandlasten, den Ventilationsverhältnissen und der Brandraumgeometrie individuell ist. Die Auslegung der Schutzmaßnahmen für natürliche Brände kann daher nicht auf Grundlage der Standard-Brandprüfungen erfolgen. Für die leistungsbasierte Bemessung brandbeanspruchter geschützter Stahlbauteile ist die temperaturabhängige Formulierung der thermischen Materialkennwerte sowohl für einen Temperaturanstieg als auch eine anschließende Abnahme der Brandbeanspruchung unabdingbar. Bis dato sind die thermischen Materialkennwerte von Brandschutzbekleidungen insbesondere für die Abkühlphase lückenhaft.
In diesem Beitrag werden daher experimentelle Untersuchungen der thermischen Materialkennwerte von Brandschutzplatten, -putzen und reaktiven Brandschutzsystemen für die Aufheiz- und Abkühlphase vorgestellt.

Thermal material properties of fire protection materials for natural fire scenarios
In this paper experimental investigations regarding the thermal behaviour of selected fire protection materials (FPM) for steel elements exposed to natural fires are presented. Material properties, such as specific heat, thermal conductivity and density of FPM, have not been investigated in detail yet, especially for natural fire scenarios with different heating and cooling rates. For this purpose, experimental investigations of material properties of perlite plaster, gypsum fire protection boards and intumescent coatings will be presented. Currently, the determination of the thermal behaviour is based on investigations under the standard fire curve (ISO 834). For this approach, the thermal material properties of the FPM are not required. In addition to the standard fire design, the Eurocodes also enable a performance-based design for a natural fire scenario. In contrast to the standard fire, which assumes a rapid and continuous rise in temperature, a realistic model of a fire (development phase, fully developed fire, cooling phase) is presented. The natural fire curve depends on fire loads, ventilation conditions and room configuration. Therefore, the properties of FPM for natural fires cannot be obtained from the standard fire tests. For the performance-based design of protected steel components under natural fire the temperature-dependent thermal material properties are therefore indispensable.