Untersuchung der Prinzipien des Brandverhaltens von Holz-Stahl-Verbundkonstruktionen

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurde das Brandverhalten von Holz-Stahl-Verbundkonstruktionen untersucht und technisch physikalische Grundlagen zur Berechnung der Temperaturentwicklung im Querschnittsinneren erarbeitet. Hierfür war es erforderlich die im Bauteil auftretenden physikalischen Effekte im Detail zu untersuchen und auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse die für eine thermische Simulation maßgeblichen Materialkennwerte abzuleiten. Aufgrund der Komplexität des thermischen Verbundbauteilverhaltens im Brandfall wurden im Zuge dieser Arbeit ausschließlich eindimensionale Brandbeanspruchungen behandelt.<br />Als Brandszenario wurde ein Temperaturverlauf gemäß der Einheitstemperaturkurve über eine Dauer von vorwiegend 60 Minuten gewählt. Im Anschluss an eine Zusammenstellung bisher zum Themenbereich vorliegender Literatur wurde im Rahmen eines zweiteiligen Versuchsprogramms auf offene Fragen hinsichtlich des Brandverhaltens und der thermischen Simulation von Holz-Stahl-Verbundelementen eingegangen.<br />Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag einerseits auf dem Einfluss der Holzfeuchte hinsichtlich des Abbrand-verhaltens von Vollholz und andererseits auf der Veränderung des Feuchtetransportes bzw. des Abbrandverhaltens infolge der dampfsperrenden Wirkung der im Bauteilquerschnitt eingefügten Stahlplatte. Die durchgeführten Versuche zeigten, dass im Zusammenhang mit dem gewählten Designkriterium für Verbundquerschnitte von maximal 200°C in der Stahlplatte eine vollständige Zerstörung des Materialverbundes (Verkohlung der angrenzenden Holzschichten) verhindert wurde. Weiters konnte im Zusammenhang mit der dampfsperrenden Wirkung der Stahlplatte ein deutlicher Feuchtigkeitsstau im Holz (im Übergangsbereich zur Stahlplatte) ermittelt werden, der im entwickelten physikalischen Modell Berücksichtigung fand und zu einer wesentlichen Veränderung der Materialkennwerte führte. Auf Basis des entwickelten Materialmodells wurden mittels thermischer Simulation Parameterstudien hinsichtlich der Temperaturentwicklung von brandbeanspruchtem Holz bzw. von Holz-Stahl-Verbundquerschnitten durchgeführt. Hieraus wurden ingenieurmäßige Bemessungshilfen für die Abbrandgeschwindigkeit von Holz (in Abhängigkeit der Holzfeuchte und Rohdichte) und die Dimensionierung von brandschutztechnisch optimierten Holz-Stahl-Verbundquerschnitten abgeleitet. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich die sehr unterschiedlichen thermischen Eigenschaften von Holz und Stahl in Form von Verbundquerschnitten gegenseitig positiv beeinflussen können und durch einen gezielten Materialverbund ein optimiertes Brandverhalten erreicht werden kann.

Within this doctoral thesis the fire performance of wood-steel-composite structures was investigated and technico-physical fundamentals for thermal calculations of these element sections were developed. Therefore it was necessary to study the occurring physical effects of composite elements in detail, using the findings as basis to derive adequate material properties for thermal simulations. Due to the complexity of the thermal behaviour of composite elements in case of fire, in this work only one-dimensional fire exposures - according to the standard temperature curve - were chosen, lasting for mainly 60 minutes.<br />Subsequent to a literature study a two-step test program was carried out, focusing on outstanding issues in terms of fire behaviour and thermal simulation of wood-steel-composites. On the one hand the influence of the moisture content of wood with regard to its fire performance was investigated. On the other hand changes in the moisture transport resp. the fire performance due to the effect of a vapour barrier were studied, caused by the inserted steel plate. The experiments showed that related to the chosen design criteria for wood-steel-composite elements of maximum 200°C in the steel plate, a complete destruction of the composite could evectively be prevented.<br />Furthermore a significant accumulation of moisture in wood (in the layers close to the steel plate) was found, related to the vapour barrier effect. Regarding this, a material model was developed which lead to significant changes in the material properties. Based on this parameter studies were carried out by means of thermal simulations, calculating the thermal behaviour of wood and wood-steel-composite sections. Thereof design-tools for engineers were derived concerning the burning rate of wood (depending on moisture content and gross density) as well as the dimensioning of wood-steel-composite elements with improved fire performace characteristics. As a general conclusion it can be said, that a correctly designed combination of wood and steel is able to influence a composit element's fire behaviour in a positive way and to cause clearly improved fire perfomace characteristics.