Forschung zum Brandverhalten von Holzbauteilen
Brandsimulator der ETH Zürich
Holz als Baustoff erlebt seit geraumer Zeit eine Renaissance – weltweit. Neben den skandinavischen und nordamerikanischen Ländern ist die Schweiz seit jeher vertraut mit Holzkonstruktionen und innovativ in Forschung und Anwendung. Am Institut für Baustatik und Konstruktion des Departement Bau, Umwelt und Geomatik der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich wurde ein Brandsimulator für Holzbauteile entwickelt, mit dem sich das Verhalten von Holzstrukturen in verschiedenen Brandszenarien simulieren und auswerten lässt.
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Der Einsatz von Holz für das Tragwerk mehrgeschossiger Bauweisen stößt immer noch auf Vorurteile und eine gewisse Skepsis. Obwohl der Baustoff grundsätzlich brennbar ist, zeigten Forschungsergebnisse ein differenziertes Verhalten, sodass sich das Einsatzspektrum im Laufe der letzten Jahre deutlich erweitern ließ. Konnten bis 2004 in der Schweiz lediglich ein- bis zweistöckige Gebäude mit einer Tragstruktur aus Holz realisiert werden, waren ab 2005 bis zu sechs Stockwerke zulässig, und seit 2015 gibt es keine Obergrenze mehr – selbst Hochhäuser sind nun möglich.
Im Wesentlichen beeinflussen die Dimensionierung der Holzbauteile, das Raumvolumen, die Brandlast, die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration im Brandraum den Brandverlauf. Mit dem neuen, zweieinhalb Millionen Franken teuren „Ofen” der ETH lassen sich diese Parameter nachstellen und variieren. Der verstärkte Metallkubus mit Brennkammer ist einen Meter hoch, einen Meter breit und knapp 1,70 Meter lang. Zehn Gasbrenner können den Ofen auf über 1.400 Grad aufheizen und einen Brand simulieren. Mehrere Kameras außerhalb der Brennkammer zeichnen die Tests auf, parallel wird die Zusammensetzung der Brandgase analysiert. Um den Einfluss von Feuer auf das Tragverhalten auszuwerten, können die Holzbauteile während der Tests mit bis zu 50 Tonnen belastet werden.
Die Tragfähigkeit eines Holzbalkens im Brandfall ist wesentlich durch seine Größe bestimmt. Dabei entsteht der sogenannte „Abbrand”: Brennt der Balken, werden auf der feuerbelasteten Balkenseite pro Stunde zirka vier Zentimeter des Holzes in Holzkohle umgewandelt. Statische Berechnungen bzw. Dimensionierungen berücksichtigen diesen Abbrand. Schwachstellen im Holzbau sind insbesondere Verbindungselemente und konstruktive Details. Unter anderem diese Verbindungen gilt es mit dem Brandsimulator unter realistischen Bedingungen weiter zu erforschen.
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