4rainee gesucht - Holzbau

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6/2007
1
Im Blickpunkt: Brandschutz
Brandverhalten von Holzfassaden
Im Rahmen eines internationalen Forschungsprojekts zum Brandschutz bei Holzfassaden entwickelte die MFPA Leipzig für die erforderlichen
großmaßstäblichen Brandversuche eine entsprechende mehrtägige Prüfmethode, mit der mehr als
30 verschiedene Fassadenaufbauten untersucht
wurden. Ergänzend fanden in einem zum Abriss
bestimmten viergeschossigen Wohngebäude in
Merkers Naturbrandversuche statt.
Ausgangslage
Die Holzaußenverkleidung
erlebt derzeit eine Renaissance. In Deutschland ist
Holz über Laborbrandversuche nach DIN 4102-1 als
normalentflammbarer Baustoff (B2) eingestuft und
demzufolge in seiner Verwendung auf Gebäude
geringer Höhe (bis Gebäudeklasse 3) beschränkt. Im
Rahmen des von der Lignum, Dachorganisation der
Schweizer Wald- und
Holzwirtschaft, initiierten
internationalen Forschungsprojektes „Brandschutz bei
Holzfassaden“, an dem sich
auch die Holzindustrie
anderer europäischer Länder (Deutschland, Finnland, Österreich) beteiligte,
wurden Holzaußenwandbekleidungen umfassend
experimentell untersucht.
Autoren:
Dipl.-Phys. Ingolf Kotthoff,
Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter,
MFPA Leipzig GmbH
14
6/2007
Ziel des Projektes war es,
Grundlagen, Maßnahmen
und Konzepte für mehrgeschossige, brandschutztechnisch optimierte
Holzaußenwandbekleidungen zu erarbeiten. Hauptfokus waren Holzfassaden an
Gebäuden mit 4 – 6
Geschossen. Das Versuchsprogramm der Großbrandversuche an der MFPA in
Leipzig und der Naturbrandversuche in Merkers
wurde so festgelegt, dass
möglichst viele konstruktive
und gestalterische Varianten der Fassadentypen und
Holzbaumöglichkeiten
abgedeckt sind.
Abb. 1:
Gebäude mit mehrgeschossiger Holzfassade in Davos
(Foto: MFPA Leipzig GmbH)
Abb. 2:
Brandszenarien an der
Gebäudeaußenwand
(MFPA Leipzig GmbH)
DAS SIGA-PRINZIP:
WÄRME BLEIBT DORT,
WO SIE HINGEHÖRT.
Abb. 3:
Definition des Wandaufbaus
(MFPA Leipzig GmbH)
Projektgliederung
Die Bearbeitung des Projektes „Brandschutz bei Holzfassaden“ erfolgte in vier
Hauptbereichen:
1. Grundlagen
– Brandszenarien an der
Gebäudeaußenwand
– Definition von
Fassadentypen
– Gestaltungs- und Konstruktionsmöglichkeiten mit Holz
– Schutzzieldiskussion
– Festlegung von Prüfanordnungen und -programmen
2. Experimentelle Untersuchungen im Großmaßstab an der MFPA Leipzig GmbH
3. Naturbrandversuche in
Merkers
4. Umsetzung für die Praxis
– Auswertung der
Versuchsresultate
– Erstellen einer technischen Dokumentation
für die Praxis
– Einbindung in die
Brandschutzvorschriften bzw. Akzeptanz
durch die Brandschutzbehörden, Bereitstellung von informativem
Bild- und Filmmaterial.
Brandszenarien an der
Gebäudeaußenwand
Die Ausbreitung eines
Brandes an der Gebäudeaußenwand wird wesentlich
durch Art, Intensität und
Ort des Entstehungsbrandes
beeinflusst. Die Fassade
kann prinzipiell durch folgende drei Brandszenarien
thermisch beansprucht werden (Abb. 2):
Szenario 1:
Brand eines benachbarten Gebäudes
Die Oberfläche der
Außenwand wird durch
Wärmestrahlung beansprucht. Die Intensität der
auftreffenden Wärmestrahlung ist abhängig vom Entwicklungsstadium des Brandes, von der Größe der
strahlenden Fläche, dem
Abstand des Nachbargebäudes und der Stellung der
Gebäude zueinander (Winkel). Punktuell ist eine
kurzzeitige thermische
Beanspruchung der Fassadenoberfläche durch „fliegende Brände“ möglich.
Szenario 2:
Brand außerhalb des
Gebäudes, unmittelbar an
der Fassade
Als Brandorte kommen
der Geländeanschluss des
Gebäudes, Balkone, Loggi-
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Im Blickpunkt: Brandschutz
en und Laubengänge in Frage. Typische Brandquellen
am Gebäudefuß stellen z. B.
Müllcontainer, abgestellte
Fahrzeuge, gelagerter Sperrmüll und Vegetation dar.
Hierbei ist die Brandentwicklung ausschließlich
abhängig von Art und
Menge der vorhandenen
Brandlast, da der für die
Verbrennung benötigte Sauerstoff in der Umgebungsluft immer ausreichend zur
Verfügung steht. Die Intensität des Brandes kann von
einem kleinen Entstehungsbrand bis zum voll entwickelten Brand eines
Müllcontainers reichen, bei
dem es durchaus möglich
ist, dass über eine Höhe
von 3 – 4 m unmittelbar
vor der Fassade Temperaturen bis zu 800 °C auftreten.
Thermisch beansprucht
werden dabei der Fassadensockel bzw. Geländeanschluss und die Oberfläche
der Fassade. Als Brandquellen auf Balkonen kommen
z. B. Sitzmöbel, Verpackungsmaterialien oder
Grillgeräte in Betracht,
wobei nur die Fassadenoberfläche thermisch beaufschlagt wird.
einem Entstehungsbrand,
der sich in Abhängigkeit
von der Brandlast und den
Ventilationsbedingungen
weiterentwickelt. Bei
geschlossenen Raumöffnungen (Fenster bzw.
Türen) kann der Brand
wegen des unzureichenden
Sauerstoffangebots zum
Erliegen kommen oder in
einen Schwelbrand übergehen. Bei ausreichendem
Sauerstoffangebot, wenn
durch eine Öffnung in der
Außenwand genügend
Frischluft nachströmen
kann – z. B. ein Fenster
steht von Beginn des
Brands an offen oder wird
durch den Brand zerstört -,
geht der Brand im Raum
durch „Flash-over“ (Durchzündung) in den Vollbrand
über. Flammen treten
durch die Außenwandöffnung aus, beanspruchen die
Öffnungsanschlüsse wie
Rahmen und Sturz und
beaufschlagen schließlich
auch die Oberfläche der
Außenwand. Nach einer
dynamischen Anfangsphase
geht der Raumbrand in
einen „quasistationären“
Zustand über. Es kommt in
dieser „Post-Flash-over“Phase über einen längeren
Zeitraum zu einem stabilen
Abbrand. Aus realen Schadensfällen ist bekannt, dass
ein Brand aus einem geöffneten oder im Brandverlauf
zerstörten Fenster (Szenario
3) für eine Fassade am kritischsten ist.
Szenario 3:
Brand innerhalb des
Gebäudes in einem an die
Außenwand grenzenden
Raum mit Öffnung, z. B.
einem Fenster
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6/2007
Schutzziele
Als generelles brandschutztechnische Schutzziel gilt:
Bei einem Brand an der
Gebäudeaußenwand darf
es bis zum Löschangriff der
Feuerwehr nicht zu einer
Brandausbreitung über
mehr als 2 Geschosse oberhalb der Brandetage kommen. Die brandschutztechnischen Schutzziele innerhalb des Gebäudes werden
von dieser Aussage nicht
berührt. Durch Fassadenverkleidungen aus Holz
oder Holzwerkstoffen und
damit das zusätzliche Aufbringen von Brandlast auf
die raumabschließende
Außenwand darf das oben
genannte Schutzziel nicht
unterlaufen werden.
Außenwandverkleidungen
aus Holz dürfen nur an
solchen Gebäudebereichen
montiert werden, bei denen
ein äußerer Löschangriff
durch die Feuerwehr möglich ist. Eine Anwendung
an Hochhäusern ist nicht
erlaubt. Übergeordnete
brandschutztechnische
Anforderungen, z.B. bei
Brandmauern, Fluchtwegen
usw., sind gemäß den
Brandschutzvorschriften
auszuführen. In den vorgegebenen Zeiten darf es
nicht zu einer Beschleunigung des Brandgeschehens
über die akzeptierbare
Brennstrecke (2 Geschosse)
hinaus kommen. Experimente haben gezeigt, dass
sich die seitliche Ausbreitung des Brandes nach links
und rechts von der Brandausbruchsstelle langsamer
vollzieht als in vertikaler
Richtung (Faktor ca. 1:10).
Konstruktive und
holzbautechnische
Grundlagen
Die gestalterischen, konstruktiven und holzbautechnischen Grundlagen
gliedern sich in folgende
Bereiche:
G Fassadentypen
Gestützt auf Zusammenstellungen von ausgewählten, gebauten
G
G
Objekten wurden neun
Fassadentypen definiert.
Gruppierung von
Holzaußenwandverkleidungen
Aus der Vielfalt der konstruktiven Möglichkeiten
wurden zwei Hauptgruppen gebildet: Schalungstypen horizontal
und Schalungstypen vertikal.
Definition und Anforderungen
Bezüglich der Außenwand
Im Projekt wurde das
Brandverhalten von
Holzverkleidungen auf
Außenwänden untersucht. Für die Außenwand galten folgende
Minimalanforderungen:
– Die Außenwandkonstruktion hat einen
Gesamtfeuerwiderstand von mindestens
30 min.
– Die Außenwand ist
durch eine harte,
geschlossene, nichtbrennbare Schicht
(min. BKZ 6q.3) abgeschlossen.
– Eine Kombination
aus brennbarer Platte
mit einer Steinwollüberdeckung ist möglich.
Versuchsprogramm
Das Versuchsprogramm der
Großbrandversuche an der
MFPA in Leipzig und der
Naturbrandversuche in
Merkers wurde so konzipiert, dass möglichst viele
konstruktive und gestalterische Varianten von Fassadentypen sowie Holzbaumöglichkeiten abgedeckt waren. Eine Serie von
B2-Prüfungen gemäß DIN
4102-1 (Kleinbrennertest)
ergänzte die Groß- und
Naturbrandversuche, um
den Einfluss eines unterschiedlichen Brandverhaltens verschiedener Holzarten und Beschichtungssysteme abzuklären. In Abb. 4
sind einige der Großbrandversuche schematisch dargestellt.
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Abb. 4:
Schematische Darstellung
einiger Großbrandversuche mit
der Brandschutzmaßnahme
(MFPA Leipzig GmbH)
6/2007
17
Im Blickpunkt: Brandschutz
Abb. 6: Detailaufnahme der Brandschutzmaßnahme
(MFPA Leipzig GmbH)
Abb. 7:
Versuch 7 – Brand
20. Prüfminute
Abb. 5:
Versuchsstand-Unterkonstruktion mit teilweise montierter
Holzplatte
(MFPA Leipzig GmbH)
(MFPA Leipzig GmbH)
Experimentelle
Untersuchungen im
Großmaßstab
Abb. 8:
Schädigung in der 20. Brandminute Schalung vorn (links),
Schalung hinten (Mitte) und
Unterkonstruktion (rechts)
(MFPA Leipzig GmbH)
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6/2007
Anhand der Ergebnisse der
Kalibrierungsversuche wurde an der MFPA Leipzig ein
Fassadenprüfstand errichtet,
dessen Wand aus Kalksandstein bestand. Auf diesem
Untergrund wurde zur
Erleichterung der Montage
der Holzschalungen eine
massive Holzplatte mit 60
mm Dicke befestigt, die
wiederum mit einer 15 mm
dicken, nichtbrennbaren
Fermacell HD-Platte
beplankt wurde. Der Versuchsstand hatte eine
Gesamthöhe von 8,30 m
und erlaubte damit die
Bewertung der Brandausbreitung über 4 Geschosse.
Insgesamt umfasste das
Testprogramm 28 Großbrandversuche.
Als Beispiel für diese Versuchsreihe wird im Folgenden der Versuch 7 näher
vorgestellt (Abb. 5–9), bei
dem das Brandverhalten
folgender Konstruktion
untersucht wurde:
G Verkleidung:
vertikal geschlossene
Nut-und-Kamm-Schalung, 20 mm x 125 mm
Fichte,
G Unterkonstruktion:
Kreuzlattung 30 mm x
60 mm, lichter Abstand
ca. 540 mm vertikal und
ca. 600 mm horizontal,
G Brandsperre:
10 mm auskragendes
Blech, 1,5 mm dick.
Der Versuchsablauf gestaltete sich wie folgt: Entflammung der Holzfassade über
dem Fenstersturz in der
dritten Minute, oberhalb
der ersten Brandsperre in
der vierten Minute und
oberhalb der zweiten
Brandsperre in der 20. Prüfminute. Danach wurde der
Versuch beendet, der Brand
entsprechend gelöscht. Als
Fazit aus diesem Versuch 7
ergibt sich, dass die Brandsperre mit einer horizontalen Unterbrechung der
Hinterlüftung durch ein
Blech bei dieser Fassade
zum Erreichen des Schutzzieles geeignet ist.
Naturbrandversuche
in Merkers
Die Naturbrandversuche
wurden in einem zum
Abriss bestimmten Wohngebäude in Beton-Plattenbauweise im thüringischen
Merkers durchgeführt. Das
4-geschossige, 14,5 m hohe
Gebäude hat eine Länge
von 40,2 m und eine Breite
von 10 m. Die Versuche
hatten das Ziel, die Ergebnisse der großmaßstäblichen
Brandversuche an der
MFPA Leipzig bei Anwendung praxisüblicher Brandlasten und Brandszenarien
unter natürlichen Witterungsbedingungen an einem
realen Gebäude zu validieren. Untersucht wurde das
Brandverhalten mehrgeschossiger, vollflächig
applizierter Holzschalungen
bei einer Brandbeanspruchung außen am Fassadensockel und einer Brandbeanspruchung von innen
durch einen Raumbrand in
einem an die Fassade grenzenden Raum mit geöffnetem Fenster. In einem weiteren Versuch wurde die
mögliche Beeinflussung des
Brandverhaltens einer
Holzschalung durch Holzbalkone untersucht. Die
Längsfassade wurde in drei
gleich große Bereiche mit
einer Länge von jeweils
13,4 m geteilt und vom
(MFPA Leipzig GmbH)
Abb. 9:
Isothermen 5 mm vor
der Fassade (links)
und in der Hinterlüftung (rechts)
(MFPA Leipzig GmbH)
Boden bis zum Dachrand
(4,5 Geschosse) über eine
Höhe von 13,7 m mit
unterschiedlichen Holzschalungen bekleidet.
Zusätzlich erfolgte die vollständige Bekleidung eines
Giebels, an den außerdem 5
übereinander liegende
Holzbalkone montiert wurden.
Weiteres Vorgehen
Nach Abschluss der Naturbrandversuche in Merkers
wurden von November
2003 bis April 2004 weitere
Großbrandversuche an der
MFPA in Leipzig durchgeführt, da verschiedene
Industriepartner an zusätzlichen produktspezifischen
Abklärungen interessiert
waren und diese finanzierten. Die Ergebnisse sollen
in technisch orientierten
Dokumentationen, z. B. als
Kapitel „Fassaden“ in der
SIA/Lignum-Dokumentation „Brandschutz im Holzbau“, veröffentlicht werden.
Damit soll potenziellen
Anwendern ein einfach zu
handhabendes Arbeitsmittel angeboten werden, mit
dem sie die gewünschte
Holzfassade brandschutztechnisch entsprechend den
Vorschriften planen können. Beabsichtigt sind zwei
Hauptteile: ein allgemeiner
Teil sowie ein Konstruktionskatalog, der das Werkzeug für die brandschutztechnische Optimierung der
Fassade bildet. Die positiven Erkenntnisse des Versuchsprogramms sollten von
den Brandschutzbehörden
akzeptiert werden und eine
Holzanwendung an der
Außenwand auch bei
Gebäuden mit mehr als 3
Geschossen ermöglichen.
Die notwendigen technischen Anwendungsdokumente müssen von der
Holzindustrie zur Verfügung
gestellt werden. Um die
entsprechende Akzeptanz
bei den Brandschutzbehörden zu erreichen, muss die
baurechtliche Diskussion
aber in jedem Land separat
geführt werden. Das umfassende Versuchsprogramm
mit der entsprechend aussagekräftigen Dokumentation
bietet dafür in jedem Land
eine optimale Grundlage für
die Baurechts- oder Schutzzieldiskussion.
I
Genehmigter Nachdruck
aus VBI Beratende Ingenieure
5/2005.
Abb. 11:
Schadensbild nach den
Brandversuchen
(MFPA Leipzig GmbH)
Projektträger und Projektpartner:
G Förderprogramm „holz 21“ des schweizerischen Bundesamtes für
Umwelt, Wald und Landschaft, Bern
G Fachverband der Holzindustrie Österreichs, Holzforschung Austria,
Wien
G Wood Focus Oy, Helsinki
G DGfH Innovations- und Service GmbH, München/Holzabsatzfonds
HAF, Bonn
G MFPA Leipzig GmbH, Leipzig
G Hochschule für Architektur, Bau und Holz, Biel
G Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich
G VSH Verband Schweizerischer Hobelwerke, Bern
G Lignum, Holzwirtschaft Schweiz, Zürich
6/2007
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Im Blickpunkt: Brandschutz
Abb. 10:
Versuchsgebäude in Merkers
mit Holz verkleidet