Forschungsthema: München, 15. Dezember Institut für Holzforschung und AIF-Forschungsvorhaben-Nr.

Institut für Holzforschung

Name der Forschungsstelle

München, 15. Dezember 1992

Ort, Datum

7796 und 8744 AIF-Forschungsvorhaben-Nr.

Forschungsthema:

Abbrandgeschwindigkeit von Vollholz, Brettschichttholz und Holzwerkstoffen

Leiter des Forschungsvorhabens:

Dr. P. Topf

PD Dr. Dr. habil. G. Wegener

Bearbeiter des Forschungsvorhabens:

Dipl.-Holzwirt M. Lache

DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR HOLZFOHSCHUNG e.V.

Bayerstrasse 57-59« D-80335 München Telefon C39 ' 51 61 70-0 • Fax 53 1C57

DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜF HOLZFCRSCHUi-'G e.V.

Schwanthalsrstraße 79, D-8000 Minchen 2 Telefon 0 8 9 / 5 3 0 91 9 0

01.06.89 31.07.92 Schlußbericht für die Zeit vom bis

31.07.92

Abschluß des Vorhabens am

Inhalt

Seite

1 Einleitung 1

1.1 Bedeutung der Abbrandgeschwindigkeit 1 1.2 Kenntnisstand zur Abbrandgeschwindigkeit von Holz 1

1.2.1 Definition der Abbrandgeschwindigkeit 1 1.2.2 Diskussion bisheriger Arbeiten zur Abbrandgeschwindigkeit 3

1.2.3 Kenntnisstand zum Temperaturgradienten im Holz bei Brandbeanspruchung 6 1.2.4 Kenntnisstand zum Feuchtegradienten im Holz bei Brandbeanspruchung 7

1.3 Zielsetzung der vorliegenden Arbeit 7

2 Material und Methoden 11 2.1 Versuchsmaterial 11

2.1.1 Kleinversuche an Massivholz 11

2.1.1.1 Holzarten 11 2.1.1.2 Probeneinschnitt 12 2.1.1.3 Klimatisierung und Holzfeuchte des Versuchsmaterials 12

2.1.1.4 Probenausformung 13 2.1.2 Kleinversuche an Holzwerkstoffen 14

2.1.3 Großversuche 15 2.2 Versuchsanordnung und Meßverfahren 16

2.2.1 Versuche am Kleinprüfstand 16 2.2.1.1 Versuchsbedingungen 16 2.2.1.2 Probeneinspannung 17

2.2.1.2.1 Vollholz 17 2.2.1.2.2 Holzwerkstoffe 17

Seite

2.2.1.3 Messung des Abbrandes 17 2.2.1.3.1 Meßverfahren 17 2.2.1.3.2 Einmalige Messung nach Versuchsende 18

2.2.1.3.3 Kontinuierliche Messung während der Brandbeanspruchung ... 18

2.2.1.4 Messung der Temperatur im Probeninneren 20

2.2.1.5 Messung der 0²-, C0²- und CO-Konzentration 22

2.2.1.6 Messung der Druckverhältnisse 24 2.2.1.7 Einfluß der Brandeinwirkung auf die Holzfeuchte 25

2.2.1.8 Datenverarbeitung 25 2.2.2 Versuche am Wandprüfstand 26

2.2.2.1 Versuchsbedingungen 26 2.2.2.2 Erweiterung des Prüfofens 27 2.2.2.3 Einbringung der BSH-Träger 28 2.2.2.4 Messung des Abbrandes 30 2.2.2.5 Messung der Temperatur im Balkeninneren 30

2.2.2.6 Messung der 0²-, C0²- und CO-Konzentration 31

2.2.2.7 Messung der Druckverhältnisse 32 2.2.2.8 Aufbringung und Messung der belastenden Kraft 32

2.2.2.9 Messung der Durchbiegung 33

2.2.2.10 Datenverarbeitung 33 2.3 Bestimmung der Meßfehler 33

3 Ergebnisse und Diskussion 35 3.1 Versuche am Kleinprüfstand 35

3.1.1 Abbrandgeschwindigkeit von Vollholz 35 3.1.2 Einflußfaktoren auf die Abbrandgeschwindigkeit 37

3.1.2.1 Holzart und Holzfeuchte 37 3.1.2.2 Rohdichte und Jahrringbreite 39

3.1.2.3 Jahrringorientierung 43

3.1.2.4 0²-, C0²- und CO-Konzentration 43

Serte

3.1.3 Veränderung der Holzfeuchte durch Brandeinwirkung 45 3.1.4 Temperatur im brandbeanspruchten Holzquerschnitt 48

3.1.4.1 Beschreibung des Temperaturverlaufs 48 3.1.4.2 Analyse und Interpretation des Temperaturverlaufs 49

3.1.5 Abbrandgeschwindigkeit von Holz Werkstoffen 52

3.2 Versuche am Wandprüfstand 53 3.2.1 Abbrandgeschwindigkeit der BSH-Träger 53

3.2.2 0²- , C0²- und CO-Konzentration 56

3.2.3 Temperatur im Balkenquerschnitt bei vierseitiger Brandbeanspruchung 58

3.2.4 Feuerwiderstandsdauer und elastomechanische Eigenschaften 60

3.2.4.1 Bestimmung des Biegeelastizitätsmoduls 60 3.2.4.2 Feuerwiderstandsdauer der BSH-Träger 61 3.2.4.3 Ergebnisse aus der Messung der Durchbiegung 62

3.2.4.4 Berechnung des Biegeelastizitätsmoduls während des Brandes 64

3.2.4.5 Berechnung der Biege- und Biege-Bruchspannung 70

3.3 Vergleich der Ergebnisse aus Versuchen am Klein- und Wandprüfstand 73

4 Zusammenfassende Diskussion 75

5 Zusammenfassung 79

6 Abkürzungen 82

7 Literatur 83

1 Einleitung

1.1 Bedeutung der Abbrandgeschwindigkeit

Der zeitliche Verlauf der thermischen Zersetzung von Holz, die Abbrandgeschwindigkeit, ist für die Beurteilung des Brandverhaltens in zweierlei Hinsicht eine wichtige Kenngröße.

Wenn die Brennbarkeit des Holzes als positive Eigenschaft energetisch (z.B. Anonymus 1983; Hellwig 1988; Nussbaumer 1990a, b; Seeger 1989) und ökologisch (Marutzky 1991a, b) optimal genutzt werden soll, sind zur Konstruktion und optimalen Steuerung der dafür erforderlichen Feuerungsanlagen Kenntnisse des thermischen Verhaltens von Holz und damit auch der Abbrandgeschwindigkeit - in diesem Fall gleichbedeutend mit Abbrenngeschwindigkeit - von großer Bedeutung.

Die Brennbarkeit des Holzes steht dabei nicht im Widerspruch zu der Tatsache, daß Bauteile aus Holz auch im Brandfall über längere Zeit ihre Tragfähigkeit erhalten können.

Aufgrund seiner positiven thermischen Materialeigenschaften wie guter Wärmeisolierung, geringer Wärmeausdehnung, geringen Festigkeitsverlusten bei höheren Temperaturen etc. wird Holz im Falle eines voll entwickelten Brandes von Feuerwehrund Rettungsdiensten geschätzt. Während ungeschützte Stahlkonstruktionen bereits bei Temperaturen um 500° C versagen können, kann Holz auch brennend für wesentlich längere Zeit seine volle Tragfähigkeit behalten.

Wichtigste Voraussetzung für die Konstruktion von Tragwerken bestimmter Feuerwiderstandsdauer ist allerdings die Berechenbarkeit des zeitlichen Verlaufs der thermischen Zersetzung. Hier wird die Ab­

brandgeschwindigkeit zur entscheidenden Rechengröße.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Abbrandgeschwindigkeit ausschließlich unter dem Aspekt unter­

sucht, die Berechenbarkeit von Holzkonstruktionen unter Brandbeanspruchung ohne Einsatz von chemischen Feuerschutzmitteln zu gewährleisten. Energetische Betrachtungen wurden in diesem Zu­

sammenhang nicht angestellt.

1.2 Kenntnisstand zur Abbrandgeschwindigkeit von Holz

1.2.1 Definition der Abbrandgeschwindigkeit

Bei der energetischen Nutzung von Holz wird der thermisch bedingte Masseverlust während der Brandbeanspruchung als Abbrandgeschwindigkeit bezeichnet, während für Tragfähigkeitsberechnungen von Holzkonstruktionen im Brandfall die Tiefe des Abbrandes von Interesse ist.

Die beiden Betrachtungsweisen haben damit automatisch zu uneinheitlichen Interpretationen und Verwendungen des Begriffs Abbrandgeschwindigkeit geführt.

Die möglichen Varianten für die Bezeichnung ein und desselben Zusammenhangs (Tab. 1-1) machen eine Definition, wie der Begriff Abbrandgeschwindigkeit im Rahmen dieser Arbeit verwendet wird, erforderlich.

Tab. 1-1: B e z e i c h n u n g e n und Einheiten für die B e s c h r e i b u n g der zeitlichen Entwicklung d e s A b b r a n d e s in Untersuchungen zur Feuerwiderstandsdauer von Holzkonstruktionen.

national:

Abbrandgeschwindigkeit [ m m / m i n ]

Abbrandrate [ m m / m i n ] Verkohlungsrate [ m m / m i n ] Abbrenngeschwindigkeit [g/min]

international:

charring rate [ m m / h ] , [ m m / m i n ]

charring velocity [ m m / m i n ] char development rate [in/min]

rate of burning [ g / c m²s ]

rate of penetration of charring [ c m / h ] , [ m m / m i n ]

In Deutschland h a b e n sich die Begriffe Abbrandgeschwindigkeit und Abbrandrate durchgesetzt, im englischen S p r a c h g e b r a u c h der Begriff charring rate. National hat man sich in neuerer Zeit auf d a s Kürzel v geeinigt, d a d a s häufig verwendete ß als Kürzel für Festigkeiten gilt.

In experimentellen Arbeiten ist A als Differenz der P r o b e n a b m e s s u n g e n vor und n a c h B r a n d b e a n ­ spruchung definiert; t ist dabei die gesamte Dauer der B r a n d b e a n s p r u c h u n g .

Als B e z u g s e b e n e für die M e s s u n g - d i e A b b r a n d g r e n z e - gilt in allen Fällen die durch Temperaturein­

wirkung braun verfärbte, aber n o c h nicht vollständig zu Holzkohle zersetzte Schicht.

Definition:

Generell ist der Abbrand A eine Funktion der Zeit:

* = ' « > [nun] ( 1 , ) d e m n a c h gilt für die Abbrandgeschwindigkeit:

HA

v (t) = — [ m m / m i n ] (1.2)

Nach d e n in T a b . 1-2 zitierten Arbeiten, die übereinstimmend einen linearen Z u s a m m e n h a n g z w i s c h e n A und t festgestellt h a b e n , gilt:

HA

— = konstant t-\ 3) dt * " ' Daraus folgt:

[mm] (1.4) A = f(t) = i r t - c

A: Abbrand [mm]

t: Zeit [min]

c: Konstante [mm]

Setzt man A = 0, so kann aus Gleichung 1.4 mit c/v die Zeit bis zum Beginn der Kohlebildung errech­

net werden.

Üblicherweise wird dieser Zusammenhang vereinfacht, indem die Zeit vom Beginn der Brandbelastung bis zum Beginn der Kohlebildung vernachlässigt wird. Damit reduziert sich die Berechnung von v auf:

v * - [mm/min] (1.5)

1.2.2 Diskussion bisheriger Arbeiten zur Abbra ndgeschwind ig keit

Für die Interpretation der nachfolgend zitierten Literatur ist es erforderlich, sich zu veranschaulichen, mit welcher Zielsetzung die meisten experimentellen Arbeiten entstanden und mit welchen Einschränkungen Untersuchungen zu dieser Thematik verbunden sind.

In fast allen Fällen war das herausragende Kriterium die Bestimmung der Feuerwiderstandsdauer, d.h., der Zeit, die ein Bauteil einer definierten Brandbeanspruchung standhält. Dabei wurden die Unter­

suchungen immer an Versuchsmaterial mit Bauteildimensionen (Balken, Stützen, Wände, Decken, etc.) durchgeführt, um für die baupraktische Anwendung entsprechende Mindestquerschnitte zu ermitteln.

Der große Aufwand der Prüfungen bedingt, verglichen mit Holzeigenschaftsprüfungen an Kleinproben, zwangsläufig eine geringe Versuchsanzahl, die eine statistische Auswertung der Ergebnisse einschränkt.

Die Abbrandgeschwindigkeit war bei diesen Versuchen meist von untergeordneter Bedeutung, da sie relativ einfach nach Versuchsende zu bestimmen war (Tab. 1-2).

Die Brandbeanspruchung bei derartigen Prüfungen erfolgt durch eine definierte zeitabhängige Tempera­

turerhöhung (Einheits-Temperaturzeitkurve ETK: 0 - ö⁰ = 345 lg(8t + 1)) des Brandofens und ist international einheitlich. Eine direkte Beflammung der Prüfkörper findet in der Regel nicht statt.

Nur wenige Untersuchungen (Schaffer 1967; White und Scharfer 1981; Roll 1984, Topf und Roll 1984; Mikkola 1990) erfolgten an Kleinproben, um gezielt Einflußparameter auf die Abbrandgeschwin­

digkeit zu bestimmen.

Bei einseitiger Brandbeanspruchung von Kleinproben aus Douglasie, Kiefer und Eiche stellte Schaffer (1967) fest, daß mit zunehmender Rohdichte innerhalb der Holzarten und im Holzfeuchtebereich (5%

bis 20%) die Abbrandgeschwindigkeit linear abnimmt. Bei seinen Experimenten variierte Schaffer auch die Art der Brandbeanspruchung, indem er einerseits Proben gemäß der ETK, andererseits bei kon­

stanten Ofentemperaturen (0 = 540° C, 820° C und 930° C) beanspruchte. Er stellte fest, daß bei Brandbeanspruchung nach der ETK der Abbrand über die Versuchsdauer von 90 Minuten linear zunahm, die Abbrandgeschwindigkeit v also konstant war. Bei gleichbleibender Ofentemperatur nahm v mit zunehmender Versuchsdauer ab und lag für 540°C deutlich unter v^. White und Schaffer (1981) fanden bei Versuchen zur Feuchteveränderung während der Brandbeanspruchung (vgl. 1.2.4) Werte für v, die jedoch keine Abhängigkeiten von der Holzfeuchte zwischen 10% und 17% erkennen lassen (Tab.

1-2). Verschieden hohe Abbrandgeschwindigkeiten der untersuchten Holzarten führen sie auf deren unterschiedliche Permeabilität zurück.

Unter vergleichbaren Versuchsbedingungen (ETK) konnte von Roll (1984), Topf und Roll (1984) an Eiche und Fichte mit 10% -15% Holzfeuchte für v keine Abhängigkeit von der Rohdichte nachgewiesen

werden. Die Autoren stellten ebenfalls eine konstante Abbrandgeschwindigkeit während der Versuchs­

dauer von 90 Minuten fest.

Tab. 1-2: Abbrandgeschwindigkeit und Temperatur an der Abbrandgrenze (0-AG) verschiedener Holzarten.

Holzart¹

V

[mm/min]

u [%]

0-AG

[°C] Literatur²

Fichte 0,60 - 0,70 13

.

Fichte 0,66 12 225 Dorn, Egner 1967

Fichte³ 0,6 - - Ödeen 1967; Tenning 1967

Fichte 0,73 13 300 Hall 1968

Fichte 0,6 - 0,8 - - Seekamp, Stanke 1969

Fichte 0,60 10 - 15 - ^Roll 1984; Topf, Roll 1984

Fichte 0,69 11 - Kallioniemi 1980

Fichte 0,57 18 - 26 - Kallioniemi 1980

Fichte 0,56 - 1,02 10 360 Mikkola 1990

Fichte 0,60 20 360 Mikkola 1990

Nadelholz (Gütekl. I + Il) 0.7 5 - • I3 - Stanke et al. 1973 Nadelholz (Gütekl. II) 0,6 - 1,1 - - Meyer-Ottens 1976

Kiefer 0,80 10 360 Mikkola 1990

Kiefer 0,57 - 0,69 - - Zapol 1980

Kiefer (BSH) 0,59 - 0,86 - - Rogowski 1967

Southern pine 0,72 - 0,80 10 288 Schaffer 1967

Southern pine 0,67 17 - White, Schaff er 1981

Southern pine 0,42 - 0,85 10 - White, Schaff er 1981

Southern pine 0.87 0 - White, Schaffer 1981

Douglas fir (BSH) 0,55 - 0,91 - - Rogowski 1967 Douglas fir 0,50 - 0,76 10 288 Schaffer 1967

Douglas fir 0,48 10 - White, Schaff er 1981

Western hemlock (BSH) 0,49 - 0,72 - - Rogowski 1967 Western red cedar (BSH) 0,69 - 0,88 - - Rogowski 1967

Eiche³ 0,35 - - Ödeen 1967; Tenning 1967

Eiche 0,59 10 - 15 - ^Roll 1984; Topf, Roll 1984

White oak 0,43 - 0,58 10 288 Schaffer 1967

White oak 0,58 10 - White, Schaffer 1981

Teak³ 0,35 - - Ödeen 1967; Tenning 1967

Teak 0,43 ^- - Malek 1988

Dipterocarpus spec. 0,54 - - Malek 1988

Shorea spec. 0,65 - - Malek 1988

1: Die Bezeichnungen der Holzarten entprechen den Literaturangaben. Aus Gründen der Über­

sichtlichkeit sind hier - soweit sie in den Literaturstellen angegeben wurden - Picea abies als Fichte, Pinus sylvestris als Kiefer und Tectona grandis als Teak bezeichnet.

2: Die Aufstellung enthält nur Arbeiten an Vollholz und Brettschichtholz. Versuche mit imprägnier­

tem Holz sind nicht aufgeführt.

3: Zitiert - ohne nähere Angaben - als finnische Versuche (Bedeutung dieser Literaturstelle in 1.3).

Brandversuche an Fichte und Kiefer unter Verwendung des "cone calorimeters", bei dem die Proben einer Wärmestrahlung ausgesetzt wurden, zeigten für u = 20% eine Abnahme von v um 25% gegenüber v für u = 10% (Mikkola 1990). Die Abbrandgeschwindigkeit ließ sich dabei durch die Stärke der Strahlung regeln. Der Autor stellt heraus, daß derart ermittelte Abbrandgeschwindigkeiten höher sind als bei der Brandbeanspruchung nach der ETK und führt das auf einen höheren 0²-Gehalt der Brand­

atmosphäre zurück ohne allerdings entsprechende Experimente durchgeführt zu haben.

Im Gegensatz zu den Versuchen an einseitig brandbeanspruchten Kleinproben, die unter relativ kontrollierten Bedingungen erfolgen konnten, weisen brandbeanspruchte Bauteile im Großversuch deutlich höhere Streuungen in den Versuchsergebnissen auf. Die Interpretation der Versuche wird dadurch erschwert und es ist fraglich, ob abweichende Ergebnisse immer durch die Eigenschaft des Probenmaterials bedingt sind oder wie Stanke et al. (1973) vermuten, auf uneinheitliche Versuchs­

bedingungen zurückzuführen sind.

Knublauch (1972) und Mikkola (1990) konnten in Ergänzung zu Schaffer (1967) zeigen, daß die Abbrandgeschwindigkeit in hohem Maße von der Temperatur der Brandbeanspruchung abhängt.

Ungleiche Temperaturbeanspruchung eines allseitig beanspruchten Balkens kann sich somit in unter­

schiedlichen Abbrandgeschwindigkeiten ausdrücken. So erklärt Rogowski (1967) abweichende Werte für v an BSH-Stützen mit quadratischen und rechteckigen Querschnitten durch ungleiche Strömungs­

verhältnisse im Ofen. Die Autorin beschreibt außerdem eine größere Abbrandgeschwindigkeit senkrecht zur BSH-Lamelle als parallel dazu und führt das auf ein Ablösen der Lamellen zurück.

Tab. 1-3: Einflußfaktoren auf die Abbrandgeschwindigkeit (n.e.: nicht erwähnt; 1: zunehmend; I : abnehmend; - : bewirkt)

Roh­ Holz­

Holzart dichte feuchte sonstige Literatur

Fichte (BSH/VH) n.e. n.e. ° 2 u g t - vi Meyer-Ottens 1976

Fichte n.e. ut - vi n.e. Holm 1980

Fichte (BSH) n.e. ut - v i n.e. Holm 1980

Fichte kein Einfl. n.e. n.e. Topf, Roll 1984

Kiefer n.e. ut - v i n.e. Holm 1980

Kiefer n.e. n.e. ßt - vt Zapol 1980

Kiefer (BSH) n.e. n.e. v^{p a r} Lamelle < v„^{n h}. Rogowski 1967 Southern pine et - v i ut - vi n.e. Schaff er 1967 Southern pine n.e. ut - vi Perm.t — v t White, Schaffer 1981 Douglas fir (BSH) n.e. n.e. V . Lamelle < W Rogowski 1967 Douglas fir et - v i ut - vi n.e. Schaffer 1967 Douglas fir n.e. ut - v i Perm.t — v t White, Schaffer 1981 Western hemlock (BSH) n.e. n.e. V Lamelle < v ^ Rogowski 1967 Western red cedar (BSH) n.e. n.e. V . Lamelle < v^^{n ( t} Rogowski 1967

Eiche kein Einfl. n.e. n.e. Topf, Roll 1984

White oak et - v i ut - v i n.e. Schaffer 1967 White oak n.e. ul - vi Perm.t — v t White, Schaffer 1981

Meyer-Ottens (1976) stellte bei drei- und vierseitig brandbeanspruchten Balken eine höhere Abbrandge- schwindigkeit auf der Balkenunterseite fest. Er erklärt dieses Phänomen durch die höheren Zugspannun­

gen auf der Unterseite, die aufgrund von Faserrissen eine größere Abbrandgeschwindigkeit hervorrufen.

Verstärkend kommt seiner Meinung nach hinzu, daß durch abfallende Holzkohle auf der Balkenunter­

seite die Wärmeisolation durch die Holzkohle verlorengeht.

Übereinstimmend ist bei allen Autoren die Feststellung, daß die Abbrandgeschwindigkeit während der jeweiligen Versuchszeiträume (maximal 90 Minuten) bei einer Brandbeanspruchung nach der ETK konstant war. Diese Tatsache ist für die Berechnung der Feuerwiderstandsdauer einer Holzkonstruktion von grundsätzlicher Bedeutung.

1.2.3 Kenntnisstand zum Temperaturgradienten im Holz bei Brandbeanspruchung

Besondere Bedeutung für die Beurteilung der statischen Eigenschaften eines brandbeanspruchten Bauteils hat neben der Abbrandgeschwindigkeit auch die Temperatur des unverbrannten Restquer­

schnitts.

Temperaturmessungen im brennenden Holz sind nur von wenigen Autoren durchgeführt worden, die zudem keine konkreten Angaben über die Auswirkungen auf die Tragfähigkeit des geprüften Bauteils machen. Selbst die Temperatur an der Abbrandgrenze, die relativ leicht zu errechnen gewesen wäre, wird nur abgeschätzt (Tab. 1-2). Hall (1968) vermutet, daß die Temperatur an der Abbrandgrenze zwischen 275° C und 300° C liegt und versucht mit Hilfe von Temperaturmessungen in unterschiedli­

chen Entfernungen von der Brandseite, die Abbrandgeschwindigkeit zu ermitteln. Er weicht dabei nur unwesentlich von der tatsächlichen Abbrandgeschwindigkeit ab. Aus der von Hall angegebenen Abbrandgeschwindigkeit und den Positionen der Thermoelemente läßt sich errechnen, daß bei Ver­

suchsende ca. 12 mm hinter der Abbrandgrenze die Temperatur im Balkeninneren 90° C beträgt.

Dorn und Egner (1961) messen nach einer 30-minütigen Brandbeanspruchung in einer Tiefe von 70 mm keine Temperaturerhöhung mehr. Die Messwerte der Balkentemperatur während des Brandes sind jedoch nach ihren Angaben aufgrund von Temperatureinleitungen über das Mantelthermoelement unbrauchbar geworden (auf die Methodik der Temperaturmessung während des Brandes wird in 2.2.1.4 und 2.2.2.5 näher eingegangen). In späteren Versuchen (Dom und Egner 1967) wurden die Thermoele­

mente direkt in die Leimfugen der BSH-Träger eingearbeitet. Die Temperatur an der Abbrandgrenze liegt dabei zwischen 200°C und 250°C. Bereits 20 mm dahinter beträgt die Temperatur des Restquer­

schnittes etwa 50° C.

Schaff er (1967) beschreibt auf der Basis einer angenommenen Temperatur an der Abbrandgrenze von 288°C den zeitlichen Verlauf des Abbrandes mit Hilfe der Temperaturmessung, macht aber keine Angaben zum Meßverfahren.

Mikkola (1990) gibt die Temperatur an der Abbrandgrenze mit ca. 350° C an und macht ebenfalls keine Angaben zum Meßverfahren.

Mit einem numerischen Rechenmodel zur Simulation thermischen Verhaltens von Holz, errechnet Tavakkol-Khah (1992) in Abhängigkeit von der Branddauer Temperaturen an der Abbrandgrenze zwischen 200° C und 300° C. Die daraus resultierenden Werte für v liegen mit 0,6 - 0,7 mm/min in der gleichen Größenordung wie bei den eigenen experimentellen Untersuchungen (Tab. 3-1).

Die Arbeiten machen deutlich, daß es zwar Untersuchungen zum Temperaturverlauf während des Brandes und zur Temperaturverteilung des unverbrannten Restquerschnittes gegeben hat, konkrete Ergebnisse, die für die Berechnungen von Tragwerken erforderlich wären, liegen jedoch nicht vor.

Interessant ist allerdings die Möglichkeit, mit Hilfe der Temperaturmessung die Abbrandgeschwindigkeit zu berechnen. Das setzt aber die Kenntnis über die Höhe der Temperatur an der Abbrandgrenze voraus.

1.2.4 Kenntnisstand zum Feuchtegradienten im Holz bei Brandbeanspruchung

Zu widersprüchlichen Aussagen hinsichtlich der Veränderung der Holzfeuchte im Brandfall kommen verschiedene Autoren, die diesen Zusammenhang im Rahmen von Untersuchungen zum Abbrand- verhalten und zur Brennbarkeit von Holz aufgegriffen haben.

Eine Feuchteveränderung an vierseitig beflammten BSH-Balken (Fichte) nach Brandbeanspruchung stellten Dorn und Egner (1961) fest. Sie verglichen dabei ein nach dem Brandversuch erstelltes Feuchteprofil (Darrmethode) des Balkenquerschnittes mit der mittleren Holzfeuchte (elektrischer Widerstand) vor dem Brandversuch. Die Autoren beschreiben die vollkommene Austrocknung der äußeren Bereiche des unverbrannten Restquerschnitts bei gleichzeitiger Zunahme der Holzfeuchte im Balkeninneren um etwa 2%, die sie auf Kondensation des Wassers im kalten Teil des Balkenquerschnitts zurückführen.

Mit Holzfeuchtemessungen (elektrischer Widerstand) während einer einseitigen Brandbeanspruchung an Kleinproben von Eiche, Kiefer und Douglasie, stellten White und Schaff er (1981) bei einer Holztem­

peratur von 100°C eine Erhöhung der Holzfeuchte in Probenmitte bis zu 10% fest. Aufgrund der hohen Temperatur schließen White und Schaffer Kondensationserscheinungen aus und formulierten die Theorie einer Feuchtewelle, welche aufgrund des Dampfdruckgefälles durch das Holz getrieben wird.

Die Autoren zeigen gleichzeitig eine mögliche Fehlerquelle durch die hohe Temperaturabhängigkeit des Meßverfahrens auf.

Messungen der Holzfeuchte an brandbeanspruchten Fichten-Balken zeigten bei Kallioniemi (1980) außer einer Austrocknung im Bereich der Abbrandgrenze keine weitere Feuchteveränderung. Fredlund

(1988) stellte nach Feuchtemessungen (elektrischer Widerstand) während des Brandes bei Kiefer eine Zunahme der Holzfeuchte im Probeninneren um etwa 6% fest, konnte aber mit Dichtemessungen während der Brandbeanspruchung diesen Effekt nicht bestätigen. Fredlund führt den Widerspruch auf unzureichende Probenisolierung zurück. Kühn (1989) verglich in seinen Untersuchungen zur Ab­

brandgeschwindigkeit salzhaltiger Fichtenkleinproben Feuchteprofile (Darrmethode) vor und nach einer einseitigen Brandbeanspruchung. Er bestätigt die Austrocknung des unverbrannten Restquerschnitts an der Abbrandgrenze, stellt jedoch keine Erhöhung der Holzfeuchte im Probeninneren fest.

1.3 Zielsetzung der eigenen Untersuchungen

Die Literaturübersicht der experimentellen Arbeiten zeigt, daß es zwar seit Jahrzehnten auf nationaler und internationaler Ebene Forschungsaktivitäten gibt, um die Eigenschaften von Holz und Holzkon­

struktionen im Brandfall zu untersuchen, die Ergebnisse der Arbeiten sich aber teilweise widersprechen

und darüberhinaus nur schwer miteinander zu vergleichen sind. Andere Arbeiten, in denen die Feuerwi­

derstandsdauer von Holzkonstruktionen theoretisch ermittelt wird (z.B. Pettersson und Jönsson 1983;

Reyer und Schlich 1988, 1990), können sich dabei nur zum Teil auf allgemeingültige physikalische Gesetzmäßigkelten stützen. Letztendlich sind auch hier die Erkenntnisse aus experimentellen Unter­

suchungen unverzichtbar.

Die Problematik wird bei der ausschließlich von Meyer-Ottens (1976) beschriebenen höheren Ab- brandgeschwindigkeit auf der Balkenunterseite deutlich. Seine Versuchsergebnisse wurden von Kordina und Meyer-Ottens (1983) ins Holz-Brandschutz-Handbuch übernommen (Tab. 1-4) und sind in die Bemessungsvorschriften der DIN 4102 eingegangen. Die dort getroffene pauschale Klassifizierung von Laubhölzern nach ihrer Rohdichte (Tab. 1-4) beruht auf den Literaturangaben von Ödeen (1967) und Tenning (1967). Die Autoren verweisen beide jedoch nur auf die gleichen Versuche aus finnischen Experimenten, ohne diese explizit zu zitieren. Die Ergebnisse anderer Autoren (Tab. 1-2) deuten allerdings darauf hin, daß weder die Unterscheidung der Abbrandgeschwindigkeit nach der Balkenseite, noch die gewählte Einteilung in Laub- und Nadelhölzer, wie sie von Kordina und Meyer-Ottens (1983) gemacht wird, gerechtfertigt sein kann.

Zwar sind bei der Neubearbeitung der DIN 4102 die bereits publizierten Ergebnisse der vorliegenden Arbeit berücksichtigt worden (Lache 1991), in der Praxis kann derzeit jedoch nur auf die alte Norm und die Werte im Holz-Brandschutz-Handbuch zurückgegriffen werden.

Tab. 1 -4: Rechenwerte für v bei Brandbeanspruchung nach der ETK (Kordina u n d Meyer-Ottens 1983).

Abbrandgeschwindigkeit [mm/min]

Bauteil Nadelholz Laubholz, c^{1 2}

;> 600 k g / m³

Stützen und Zugglieder 0,7 0,42

Balken Seiten und Oberseite 0.8 0,48

Balken Unterseite 1,1 0,66

Dach- und Deckenschalungen Unterseite 1.1 0,66

Dach- und Deckenschalungen Oberseite 0,65 0,39

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, Einflußgrößen auf die Abbrandgeschwindigkeit von Holz - die einzeln in früheren Arbeiten zwar oft beschrieben, in ihrer Gesamtheit allerdings nie zusammenhängend untersucht wurden - systematisch experimentell zu erfassen. Maßgeblich ist dabei die Reproduzier­

barkeit der Versuche sowie die Bewertung der Ergebnisse für die praktische Anwendung bei der Bemes­

sung von Holz und Holzkonstruktionen im Brandfall.

Die Bestimmung der Abbrandgeschwindigkeit soll im Hinblick auf eine einheitliche europäische Bemes­

sungsvorschrift für Holzbauteile im Brandfall zu einem eigenen Prüfverfahren entwickelt werden. Für die detaillierte Beschreibung der Prüfanforderungen sind auch die Konzentrationen von 0², C 0² und CO in der Brandatmosphäre zu berücksichtigen, deren Einfluß auf die Abbrandgeschwindigkeit in dieser Arbeit gleichfalls untersucht wird.

Über die Bedeutung möglicher Einflußgrößen auf die Abbrandgeschwindigkeit (Abb. 1-1) liegen bisher keine gesicherten Erkenntnisse vor. Wegen der Komplexität der Parameter erfolgte im Rahmen dieser Arbeit eine Beschränkung auf die in der Literatur als wesentlich herausgestellten Faktoren (Tab. 1-5).

In einer zusätzlichen Versuchsreihe sollte die Veränderung der Holzfeuchte während der Brandbean­

spruchung untersucht werden, um festzustellen, ob daraus ein Einflußfaktor auf die Abbrandgeschwin­

digkeit abzuleiten ist.

Holzart Holrfeuchte

Jahmngbnwto

Wänneleitfähigkett Holz

Rohdichte

Permeabilität

Inhaltstorte

ne Obt T©mp©raturi*ftfährgkeft

•pez. Wirme

HotzschuLzin Ittel

MatenaJstärVe

Oberfiächenqualrtät

Sekundärtuft

Temperatur Abbrandgeschwindigkeit

1

^

Brandraum

| Druck | ^»J^n.

I

02-G*haft

Brandatmosphäre

I

sonstige Gase

C02-Oehaft

COGehatt

Abb. 1-1: Mögliche Einflußfaktoren auf die Abbrandgeschwindigkeit.

Tab. 1-5: Im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Einflußgrößen auf die Abbrandgeschwindigkelt.

holzartenabhängig holzartenunabhängig

Holzart Rohdichte

Feuchteveränderung durch Brandbeanspruchung Temperatur im brandbeanspruchten Querschnitt

Holzfeuchte

Rohdichteunterschiede innerhalb einer Holzart Jahrringbreite

Jahrringorientierung

0²-, C0²- und CO-Gehalt im Brandraum Kleinproben/BSH-Balken

Biegebeanspruchung

Zugspannungen an der Balkenunterseite

Die Großversuche bauen auf einem Grundlagenteil auf, in dem an Kleinproben unter kontrollierten Bedingungen die Einflußgrößen auf die Abbrandgeschwindigkeit verschiedener Holzarten untersucht wurden. Von besonderem Interesse waren dabei die Temperatur des unverbrannten Restquerschnitts sowie die Veränderung der Holzfeuchte durch Brandbeanspruchung. Durch sie können Rückschlüsse auf die elastomechanischen Veränderungen während des Brandes gezogen werden. Dem Grundlagen­

teil schließen sich Versuche an biegebeanspruchten BSH-Trägern an.

Große Bedeutung kommt dem Vergleich der Versuchsergebnisse aus Kleinversuchen mit den Ergebnis­

sen der Großversuche zu, da in dieser Arbeit erstmalig beide Versuchsreihen zu einer großen systemati­

schen Untersuchung kombiniert werden konnten.

Die untersuchten Einflußfaktoren sind in Tab. 1-5 zusammengefaßt. Größen, wie z.B. Druck (Normal­

druck) und Temperaturbeanspruchung (ETK) wurden nicht variiert.

2 Material und Methoden

2.1 Versuchsmaterial

2.1.1 Kleinversuche an Massivholz

2.1.1.1 Holzarten

Der Versuchsumfang war auf fünf repräsentative Holzarten, zwei Laub- und zwei Nadelhölzer sowie eine Tropenholzart beschränkt. Neben der Fichte als wichtigster einheimischer Bauholzart wurde die Kiefer als zweites Nadelholz gewählt, die sich aufgrund ihres ausgeprägten Farbkerns gleichzeitig dazu eignet, Brandversuche gezielt an Kern- und Splintholz durchzuführen.

Die in der Literatur so widersprüchlich dargestellte Abbrandgeschwindigkeit von Eiche sollte auf jeden Fall genauer untersucht werden, wobei besonderer Wert auf eine große Rohdichtevariation gelegt wurde. Als Vertreter zerstreutporiger Laubhölzer mit hoher Rohdichte wurde die Buche in die Unter­

suchungen einbezogen. Als tropische Holzart mittlerer Rohdichte wurde Meranti geprüft. Die Auswahl­

kriterien sind in Tab. 2-1 zusammengefaßt.

Tab. 2-1: Kriterien für die Holzauswahl der Kleinversuche an Vollholz.

Holzart

Nadelholz Laubholz

Holzart

Fichte (Fl¹) Picea abies

Kiefer (Kl¹) Pinus sylvestris

Eiche (El¹) Quercus spec.

Buche (BU¹) Fagus sylvatica

Meranti (MER¹) Shorea spec.

Kriterien für die Holzaus­

wahl

wichtigste Bauholzart

wichtige Bau­

holzart, harz­

reich, ausge­

prägter echter Farbkern, höhe­

re Rohdichte als Fl

ringporig, hohe Rohdich­

te, ausgepräg­

ter echter Farbkern

zerstreutporig, hohe Rohdichte

wichtiges Tro­

penholz im Bauwesen, zer­

streutporig, mittlere Roh­

dichte

sonstige Kriterien

große Roh­

dichteva­

riation

keine

große Roh­

dichtevariation keine keine

Anzahl der Stämme

12 1 3 1 1

1: Kurzzeichen nach DIN 4076.

2.1.1.2 Probeneinschnitt

Für die Untersuchung holzartenspezifischer Abbrandgeschwindigkeiten wurden gemäß DIN 52 180 fehlerfreie Kleinproben verwendet.

Aufgrund des großen zeitlichen Aufwandes des einzelnen Brandversuchs war der Versuchsumfang auf eine Probenzahl beschränkt, die für statistische Auswertungen verhältnismäßig klein ist. Zum Ausgleich konnten durch direkten Vergleich mehrerer Proben mit annähernd gleicher Holzstruktur strukturbedingte Streuungen der Versuchsergebnisse weitgehend minimiert und so der Versuchsumfang auf ein über­

schaubares Maß reduziert werden.

Dazu wurde das ca. 4 Meter lange Ausgangsmaterial (Bohlen und Balken) in 500 mm lange Abschnitte geschnitten und auf die gewünschte Holzfeuchte klimatisiert (Abb. 2-1). Aus jedem dieser Abschnitte wurden im Anschluß an die Klimatisierung zwei Kleinproben entnommen. Der maximale Abstand zweier Proben aus unterschiedlicher Klimatisierung lag somit bei 1250 mm.

500 mm 500 mm 500 mm 500 mm 500 mm 500 mm 500 mm 500 mm 8 % u 12 % u 20 % u 8 % u 12 % u 20 % u 8 % u 20 % u Abb. 2-1: Schema der Probeneinteilung aus dem Ausgangsmaterial.

Bei Fl, Kl und El wurden hinsichtlich der Jahrringorientierung der Abschnitte drei Varianten unter­

schieden:

- senkrecht zur Richtung der Brandbeanspruchung (0° - 30°) - 45° zur Richtung der Brandbeanspruchung (30° - 60°) - tangential zur Richtung der Brandbeanspruchung (60° - 90°) Gemessen wurde der Winkel zwischen Jahrring und Vorderkante der Probe.

2.1.1.3 Klimatisierung und Holzfeuchte des Versuchsmaterials

Die Auswahl der Holzfeuchtebereiche des Probenmaterials orientierte sich an den baupraktischen Werten. Dabei betrug die maximale Holzfeuchte 20%, entsprechend der Obergrenze für trockenes Holz nach DIN 4074 und DIN 68 365. Darüberhinaus wurde ein Teil der Proben auf eine Holzfeuchte von 8%

getrocknet, was ungefähr der Holzfeuchte in beheizten Innenräumen entspricht und der dritte Teil des Probenmaterials nach DIN 52 180 auf 12% Holzfeuchte klimatisiert. Die Proben wurden anschließend bis zum Brandversuch unter folgenden Klimabedingungen gelagert:

Klima (G/<p): 20/45 entspricht ca. 8 % u

20/65 entspricht ca. 12 % u (Normklima nach DIN 50 014) 20/85 entspricht ca. 20 % u

2.1.1.4 Probenausformung

Aufgrund zahlreicher Vorversuche wurde eine Probenform entwickelt, die folgende Anforderungen erfüllte:

- Probenposition in der Mitte der Ofenöffnung.

- dichter Abschluß der Ofenöffnung zur Reduzierung von Sauerstoffzutritt.

- Prüfung mehrerer Proben bei gleichzeitig dichtem Abschluß zwischen den Proben.

- gute Handhabung bei eingebrachten Thermoelementen (vgl. Abb. 2-8).

- gute Handhabung nach Versuchsende zur schnellen Entfernung aus dem Ofen und zügigen Ablö- schung.

Für einen Brandversuch wurden vier Kleinproben (200/100/50 mm, Länge/Breite/Dicke) in einem Fichtenholzrahmen zu einem Probenblock verspannt (Abb. 2-2), der dann einseitig beflammt wurde. Der Rahmen war außen keilförmig gearbeitet und saß in einer entsprechend geformten Ofenöffnung (Abb.

2-4). Vorversuche mit verleimten und/oder an den Stirnseiten versiegelten Proben führten zum gleichen Ergebnis.

Die Form der einzelnen Brandprobe ist in Abb. 2-6 zu erkennen.

P r o b e n r a h m e n

P r o b e n

Abb. 2-2: Probenblock mit vier Kleinproben (Betrachtung von der Brandseite).

2.1.2 Kleinversuche an Holzwerkstoffen

Die Versuche wurden an Spanplatten (DIN 68 763) und an Sperrholz (DIN 68 705 Teil 2 und 5) durch­

geführt¹. Entscheidendes Auswahlkriterium war dabei die Rohdichte der Platten, denn nach DIN 4102 Teil 4 werden bei der Herstellung raumabschließender Holzkonstruktionen Mindestrohdichten für Holzwerkstoffe von 600 kg/m³ gefordert.

Das Plattenmaterial wurde abweichend von den unter 2.1.1 beschriebenen Versuchen an Massivholz zu Brandproben von 500/500 mm Kantenlänge aufgeschnitten und bis zur Gewichtskonstanz im Normklima 23/50 (ö/q>) nach DIN 50 014 gelagert. Die Auswahl der Klimabedingungen erfolgte in enger Anlehnung an die Klimatisierungsvorschriften der DIN 4102, um eine spätere Übertragbarkeit der Versuchsergeb­

nisse auf Bauteilversuche zu erleichtern.

Die Plattendicke aller Holzwerkstoffe wurde mit ca. 40 mm so gewählt, daß während der einseitigen Beflammung nach der ETK über einen Versuchszeitraum von 30 Minuten kein Durchbrand erfolgte und nach Versuchsende noch genügend Probenmaterial zur Verfügung stand, um die Restdicke zu messen.

Aus der Differenz der Abmessungen vor und nach Brandversuch wurde dann die Abbrandgeschwindig- keit ermittelt (vgl. 2.2.1.3.2).

Tab. 2-2: Beschreibung der untersuchten Holzwerkstoffe.

Plattentyp Materialstärke mittlere Rohdichte Beleimung¹ Holzartenanteile [mm] e⁸ [kg/m³]

A: Spanplatte 38 486 UF-Harz 100% Fichte

B: 38 601 UF-Harz 100% Fichte

C: 38 753 UF-Harz 100% Buche

D: Sperrholz E: KERTO*-Q

5 x 8,4 505 UF-Harz 90% Pappel, 10% Fichte D: Sperrholz

E: KERTO*-Q 39 512 PF-Harz 100% Fichte

F: Sperrholz 5 x 8,1 764 UF-Harz 100% Buche

1: UF: Harnstoff-Formaldehyd PF: Phenol-Formaldehyd

Geprüft wurden drei Spanplattentypen mit Plattendicken von jeweils 38 mm, die sich im wesentlichen in ihrer Rohdichte voneinander unterschieden (Abb. 2-3 und Tab. 2-2). Die Plattentypen A und B (einschichtig) bestanden dabei überwiegend aus Fichtenspänen, der Plattentyp C (dreischichtige) zu 100% aus Buchenspänen.

Die Platten waren mit einem durch Melaminharz verstärkten Harnstoff-Formaldehydharz verleimt.

1 Für die Durchführung der Versuche sei Herrn Martin Reinold recht herzlich gedankt.

Beim Sperrholz war neben der Rohdichte die Holzart das entscheidende Auswahlkriterium. Dabei sollten Insbesondere Buche und Fichte miteinander verglichen werden.

Da ein reines Fichtensperrholz handelsunüblich ist, wurde auf KERTO'-Schichtholz1 mit quer ver­

laufenden Mittellagen zurückgegriffen (Tab. 2-2).

Das ca. 8 mm starke Buchen- und Pappelsperrholz wurde schichtweise auf die erforderliche Probendik- ke von ca. 40 mm verleimt.

CD

1

1500

1200

900

600

300

0

4 8 12 16 20 24 28 32 36 Probendicke [mm]

Abb. 2-3: Rohdichteprofile der untersuchten Spanplatten (•: Typ A; Typ B; • : Typ C)

2.1.3 Großversuche

Geprüft wurden zwei mal 10 Brettschichtholzträger (BSH-Träger) Güteklasse II nach DIN 4074 Teil 1 (Lamellenstärke 32 mm, Verleimung: Resorcin)³.

Die Balken wurden speziell für diese Untersuchungen angefertigt, es erfolgte dabei jedoch keine besondere Holzauswahl, um den Stichprobencharakter der BSH-Qualität nicht zu verfälschen.

Für die Bemessung der BSH-Träger mußten folgende Anforderungen berücksichtigt werden:

- aufgrund beschränkter Platzverhältnisse und der Prüfeinrichtungen im 2. Stock: maximale Balkenlänge 4400 mm.

1 Für die großzügige Spende des KERTO*-Schichtholzes wird der Fa. Merk-Holzbau, Aichach recht herzlich gedankt.

2 Für die Erstellung der Rohdichteprofile wird der Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Holzforschung des Wilhelm-Klauditz Instituts, Braunschweig recht herzlich gedankt.

3 Für die großzügige Spende eines großen Teils der BSH-Träger wird der Fa. Merk Holzbau, Aichach recht herzlich gedankt.

- Erzeugung einer realistischen Biegespannung (ca. 10 N/mm²).

- maximale Biegelast 1100 kg.

- maximale Durchbiegung 150 mm.

- Versuchsdauer ca. 30 Minuten.

- Balken unterschiedlichen Querschnitts sollten bei annähernd gleichem Spannungsverlauf während der Brandbeanspruchung unterschiedliche Durchbiegungen erfahren, da überprüft werden sollte, ob eine Abhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit von der Durchbiegung abhängt (vgl. 1.3).

Es ergaben sich folgende Balkenabmessungen (Länge/Breite/Höhe):

Typ 1: 4400/110/250 mm Typ 2: 4400/210/180 mm

Von allen Balken wurde der Biegeelastizitätsmodul auf zweifache Weise vor dem Brandversuch be­

stimmt:

- mit einer Prüfeinrichtung nach DIN 52 186 und einem Kraftangriff an zwei Punkten².

- unmittelbar vor dem Brandversuch mit der in 2.2.2 beschriebenen Versuchsanordnung, bei Kraftangriff an einem Punkt in Probenmitte.

2.2 Versuchsanordnung und Meßverfahren 2.2.1 Versuche am Kleinprüfstand

2.2.1.1 Versuchsbedingungen

Für die Untersuchungen waren an beiden Prüfeinrichtungen Klein- und Wandprüfstand umfangreiche Umbau- und/oder Erweiterungsmaßnahmen erforderlich. Die Möglichkeit an diesen Geräten auch weiterhin nach DIN 4102 Bauteilprüfungen vornehmen zu können, blieb davon unberührt.

Die Funktion des KJeinprüfstandes im Rahmen der Bauteilprüfung wird an dieser Stelle nicht dargestellt.

Eine genaue Beschreibung gibt die DIN 4102 Teil 8.

Für die vorliegenden Untersuchungen mußte der Prüfofen hinsichtlich der Probeneinspannung sowie der Vorrichtungen zur Messung des Abbrandes, der Temperatur im Probenquerschnitt und der Gaskonzen­

trationen ergänzt werden.

2 Für die Bestimmung der Biegeelastizitätsmoduln nach DIN 52186 wird Herrn Johann Höger recht herzlich gedankt.

2.2.1.2 Probeneinspannung

2.2.1.2.1 Vollholz

Für eine formschlüssige Plazierung des unter 2.1.1.4 beschriebenen Probenblocks (Abb. 2-2) in der Mitte der Ofenöffnung wurde eine entsprechend ausgeformte Probenhalterung gegossen, die mit einem keramischen Dichtungsband gegen den Probenblock isoliert war (Abb. 2-4).

Abb. 2-4: Probeneinspannung der Kleinproben (1: Probenhalterung; 2: Querschnitt durch den Proben­

block; 3: Thermoelement zur Messung der Brandraumtemperatur; 4: Gasentnahmesonde;

5: Meßfühler zur Messung von A (vgl. 2.2.1.3.3)).

2.2.1.2.2 Holzwerkstoffe

Zur Prüfung der plattenförmigen Holzwerkstoffe war keine spezielle Probeneinspannung erforderlich. Die Proben wurden direkt vor die ursprüngliche Ofenöffnung gespannt.

2.2.1.3 Messung des Abbrandes

2.2.1.3.1 Meßverfahren

Zur Messung des Abbrandes stehen prinzipiell zwei Methoden zur Verfügung. Die gebräuchlichste und international am häufigsten angewandte Methode ist die einmalige Messung nach Versuchsende. Die zweite und ungleich aufwendigere Methode ist die kontinuierliche Messung während der Brandbean­

spruchung, für die im Rahmen dieser Untersuchungen eigens ein Meßverfahren entwickelt wurde. In

allen Versuchen dieser Arbeit wurde der Abbrand nach beiden Verfahren bestimmt.

2.2.1.3.2 Einmalige Messung nach Versuchsende (Methode 1)

Nach Ende des Brandversuchs wurde die Probe so schnell wie möglich aus dem Ofen entfernt und abgelöscht (bei den hier dargestellten Untersuchungen wurde C 0² als Löschmittel verwendet). An­

schließend wurde die Holzkohle mit einem scharfen Werkzeug bis auf die unverkohlte, durch Tempera­

tureinwirkung bereits braun verfärbte Holzschicht entfernt und die Breite des Restquerschnittes gemes­

sen. Die Messung erfolgte in der Mitte der Probendicke an 6 Stellen im Abstand von 20 - 30 mm. Der Rand der Probe blieb aufgrund etwaiger Randeinflüsse unberücksichtigt. Der Abbrand wurde an­

schließend aus der Differenz von Ausgangsbreite und mittlerer Restbreite errechnet (vgl. Probenform in Abb. 2-6 und 2-10).

Zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Abbrandes wurden Versuche mit unterschiedlich langen Versuchsdauern durchgeführt, die mit 30, 60, und 90 Minuten gleichzeitig der Einteilung der DIN 4102 in Feuerwiderstandsklassen entsprachen. Bei Fichte konnten zusätzliche Versuche bis zur 70. Minute durchgeführt werden, um den zeitlichen Verlauf des Abbrandes detaillierter zu verfolgen.

2.2.1.3.3 Kontinuierliche Messung während der Brandbeanspruchung (Methode 2)

Auf der Basis einer bereits von Knublauch (1972) angewandten Methode wurde ein Verfahren entwic­

kelt, mit dem der Abbrand während des Brandversuchs gemessen werden kann¹.

Das Meßprinzip ist dabei recht einfach und nutzt den großen Rohdichteunterschied von Holz und Holzkohle (CKOW. S ° -4 X ÖHOIZ)- Dabei wurde ein Meßfühler mit einem genau definierten Druck (Tab. 2-3) durch die Holzkohle gedrückt und an der unverkohlten Grenzschicht zurückgehalten.

Das Meßgerät (Abb. 2-5) war auf der Rückseite des Kleinprüfstandes gegenüber dem Probenblock montiert und besaß vier pneumatische Druckzylinder, an denen die Meßfühler befestigt wurden. Die Meßfühler aus Keramikstäben (0 8,5 mm), an deren Ende eine 60 mm lange Wolframnadel (0 1,5 mm) angebracht war, reichten quer durch den Brandraum bis zur gegenüberliegenden Probe. Die Steuerung der Druckzylinder erfolgte über ein direkt von der Datenverarbeitung angesprochenes Steuerventil.

Dabei wurde jede Minute ein Druckimpuls von 3 Sekunden erzeugt, der ausreichte, den Fühler durch die Kohle zu drücken. Anschließend werden die Zylinder entlüftet und der Fühler ruhte ohne weiteren Druck auf der unverkohlten Grenzschicht. Ein Einbrennen der heißen Wolframsonde konnte dadurch minimiert werden (vgl. 2.3). Die vom Meßfühler zurückgelegte Wegstrecke wurde mit induktiven Weg­

aufnehmern (HBM Typ W50) erfaßt und an die Datenverarbeitung weitergeleitet². Der genaue Meßwert wurde unmittelbar (1 msec) nach Ende des Druckimpulses genommen.

1 Für die wertvolle Unterstützung bei der Entwicklung und für den Bau der aufwendigen Meßvor­

richtung (Abb. 2-5) wird Herrn Wolfgang Weber recht herzlich gedankt.

2 Für die Bereitstellung der induktiven Wegaufnehmer und Meßverstärker sei Herrn Prof. Dr. Peter Glos und Herrn Johann Höger gedankt.

Tab. 2-3: Arbeitsdruck der Druckzylinder für die untersuchten Holzarten.

Holzart Fl El BU Kl MER

Arbeitsdruck [bar] 0,2 0,6 0,6 0,2 0,2

1. Pneumatische Druckzylinder 2. Steuerventil (über Datenverarbei­

tung angesprochen)

3. Druckminderer (für holzartenspezi­

fische Druckeinstellung) 4. keramischer Meßfühler 5. induktive Wegaufnehmer

6. Anschluß an die Datenverarbei­

tung Abb. 2-5: Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Abbrandes.

Tab. 2-4: Vergleich der Methoden 1 und 2 zur Messung des Abbrandes und Bestimmung von v.

Vorteile Nachteile

Methode 1 (einmalige Messung)

- einfache Anwendung - ausreichende Genauigkeit - keine aufwendige Meßtechnik er­

forderlich

- problemlos und ohne Umbaumaß­

nahmen im Kleinprüfstand durch­

führbar

- ohne Einsatz elektronischer Daten­

verarbeitung durchführbar

- Aussagen über den genauen zeitli­

chen Verlauf des Brand Verhaltens erfordern eine große Versuchsan­

zahl bei möglichst kleinen Zeitinter­

vallen

- Beginn der Kohlebildung nicht feststellbar

- keine Zuordnung der Meßwerte zu eventuellen Einflußfaktoren wäh­

rend des Brandes möglich

Methode 2 (kontinuierli­

che Messung)

- Bestimmung des genauen Abbran­

des während der Dauer der Brandbeanspruchung

- Berechnung des Beginns der Koh­

lebildung möglich

- direkte zeitliche Zuordnung zu weiteren Meßwerten (Druck, Tem­

peratur, Gasmessung)

- zusätzliche Messung nach Metho­

de 1 möglich

- aufwendige Meßtechnik und elek­

tronische Datenverarbeitung erfor­

derlich

- Modifizierung des Kleinprüfstandes notwendig

- leicht erhöhte Werte für v, da Meß­

stelle im pyrolysierten Bereich zwischen Holzkohle und unver­

branntem Holz liegt (vgl. 2.3) - begrenzte Anzahl Meßstellen je

Holzprobe

2.2.1.4 Messung der Temperatur im Probeninneren

Gemessen wurde mit Thermodrähten (Außen-0 1 mm) Typ K (Ni-CrNi, 0 0,2 mm)¹, die durch eine Bohrung (0 1,5 mm, 25 mm tief) von der Probenoberseite parallel zur brandbeanspruchten Seite ins Holz eingebracht wurden. Die Meßspitze befand sich damit in der Mitte der Probendicke (Abb. 2-6). Die Thermodrähte wurden vom Austritt aus dem Bohrloch durch eine ca. 3 mm breite und 3 mm tiefe Nut zur hinteren Probenseite (der Beflammung abgewandt) geführt, wodurch die Nut fast vollständig ausgefüllt wurde. Der Abbrand war durch die Nut nicht beeinflußt.

Anmerkung: Versuche, die Thermodrähte von der hinteren Probenseite ins Holz einzubringen, haben sich nicht bewährt. Die Messungen wiesen große Ungenauigkeiten, hervorgerufen durch unpräzise Positionierung der Drähte auf:

- der Bohrer 0 1,5 mm wird bereits durch die Rohdichteunterschiede an der Jahrring­

grenze abgelenkt und verläuft im Holz.

- die Thermodrähte sind so flexibel, daß sie sich nicht über eine Strecke von mehr als 30

1 Für die großzügige Spende der Thermodrähte wird der Zentralstelle für Hochschullieferungen der Fa. Degussa, Hanau gedankt.

mm durch ein enges Bohrloch ins Holz schieben lassen.

- Durch die erforderliche Manipulation des Probenblocks nach Einbringung der Thermo- drähte besteht die Gefahr, die Drähte aus ihrer genauen Meßposition zu ziehen.

Eine genaue Zuordnung der gemessenen Temperaturen zur Position der Meßstelle im Holz ist dann nicht mehr möglich.

Die Anzahl der Meßstellen wurde durch die Zahl freier Kanäle am Datenwandler beschränkt, daher konnten im Rahmen dieser Untersuchungen nur 7 Thermodrähte je Probe eingesetzt werden. Die Positionen der 7 Meßstellen waren bei allen Versuchen gleich und lagen 0, 5,10, 20, 30, 40, 50 mm von der Oberfläche der beflammten Probenseite entfernt (Abb. 2-7).

Abb. 2-6: Einbringung der Thermodrähte in die Brandprobe bei einseitiger Brandbeanspruchung (Angaben in mm).

Beflammu

5510101010

^ 100 1

Abb. 2-7: Querschnitt der Brandprobe mit Positionen der Thermoelemente (Angaben in mm).

Der Anschluß an das Datensystem erfolgte über eine Verteilertafel¹, die direkt unter der Probe am Kleinprüfstand (isoliert gegen evtl. Abstrahlungen des Ofens) montiert und über Ausgleichsleitungen mit dem Datenwandler verbunden war (Abb. 2-8). Die Verbindung zu den Thermoelementen wurde über Minibananenstecker gesteckt, was sich in den zahlreichen Vorversuchen als praktikabelste Lösung erwiesen hatte.

1. Probenblock mit Thermodrähten 2. Verteilertafel für den Anschluß an

das Datensystem Abb. 2-8: Vorderansicht des Kleinprüfstandes mit Probenblock.

2.2.1.5 Messung der 0²-, C0²- und CO-Konzentration

0²-Messung:

Meßgerät: Oxor 6N (Fa. Maihak)

Meßprinzip: Die paramagnetische Eigenschaft des Sauerstoffs lenkt eine magnetische Drehwaage aus ihrer Ausgangsstellung. Die Auslenkung wird über ein optisches System erfaßt und gleichzeitig ein zur 0²-Konzentration proportionaler Kompensationsstrom erzeugt, der die

1 Für die umfangreichen Arbeiten im Zusammenhang mit der Installierung der Meßdatenerfassung wird ganz besonders Herrn Hans Schulze gedankt.

Drehwaage wieder in ihre Ausgangsstellung bringt.

COj/CO-Messung:

Meßgeräte: Finor F (Fa. Maihak)

Meßprinzip: Das Gerät (NDIR-Photometer) nutzt die nicht-dispersive Infrarot-Absorption der zu messen­

den Gase. Die Absorption von Infrarotlicht einer meßgas-spezifischen Wellenlänge wird gemessen und in ein der Gaskonzentration proportionales Gleichspannungssignal gewan­

delt.

Bezüglich der Gasentnahmestellen im Brandraum und der Messung von Gaskonzentrationen gibt es im Zusammenhang mit den verwendeten Prüfgeräten Klein- und Wandprüfstand keine Vorgaben. Da nicht ausgeschlossen werden konnte, daß sich die Gasanteile an verschiedenen Stellen im Ofen unter­

schiedlich verhalten und die Meßmethode für zukünftige Bauteilprüfungen möglicherweise in die Norm (DIN 4102 oder Eurocode) einfließen kann, mußten in Anlehnung an die bestehende Norm zwei Gasentnahmestellen gefunden werden (Abb. 2-9):

Meßstelle 1: In der Mitte der Ofenöffnung in einem Abstand von 100 mm von der Probenoberfläche.

Diese Stelle ist bereits für die Ermittlung der Brandraumtemperatur zur Steuerung der ETK in der DIN 4102 Teil 8 definiert.

Messung der direkt die Probe beeinflussenden, bzw. die direkt durch die Probe beein­

flußte Gaskonzentrationen.

Meßstelle 2: In der Mitte des Ofenquerschnitts, 200 mm vor dem Abgasfuchs.

Messung der Gaskonzentrationen des Gesamtsystems Brenner-Probe.

Da nur ein Gasweg untersucht werden konnte, wurden die Gase gleichzeitig von beiden Meßstellen getrennt bis vor die Meßeinheiten gepumpt. Im Zwei-Minutentakt wurde dann das Gas einer der Meßstellen in die Meßeinheit geleitet, während das Gas der zweiten Stelle permanent bis kurz vor die Meßeinheit gepumpt wurde. Dadurch konnte nach dem Umschalten auf den anderen Gasweg eine zeitliche Verzögerung durch den Gastransport von der Meßstelle zur Meßeinheit (ca. 15 sec) vermindert werden. Die Umschaltung zwischen den Meßstellen wurde von der Datenverarbeitung kontrolliert. Alle 3 Sekunden wurden dann die Meßwerte von der Datenverarbeitung erfaßt, wobei die jeweils ersten fünf Werte nach der Meßstellenumschaltung aufgrund von Gasresten des zuvor gemessenen Gases in der Auswertung nicht berücksichtigt wurden.

Versuche zur Veränderung der Gaskonzentrationen unter zusätzlicher Einblasung von Luft führten nicht zu reproduzierbaren Versuchsbedingungen. So war es z.B. nicht mehr möglich, eine Temperaturbean­

spruchung der Proben nach der ETK durchzuführen. Da dies jedoch eine grundsätzliche Versuchs­

bedingung der vorliegenden Arbeit war, mußten die Bemühungen, den Kleinprüfstand so zu verändern, daß sowohl eine Temperaturbeanspruchung nach der ETK als auch unterschiedliche Sauerstoffgehalte im Brandraum einstellbar sind, aufgegeben werden.

S e i t e n s c h n i t t

Querschnitt Druckmeßstelle 15 ±5 innen

U

I ^

1 ^t

i

t

450

« 1 m

t

^ 2000

t ^Al

Abb. 2-9: Kleinbrandofen nach DIN 4102 Teil 8 mit Positionen der Gasentnahmesonden (Angaben in mm).

2.2.1.6 Messung der Druckverhältnisse

Die Messung erfolgte mittels einer Ringwaage (Fa. Rixen), als relativer Vergleich der Atmosphärendrücke innerhalb und außerhalb des Brandraumes. Die Meßstelle im Ofen ist Abb. 2-9 zu entnehmen.

Nach DIN 4102 Teil 2 werden Bauteile zur Beurteilung ihrer Feuerwiderstandsdauer, unter Einbeziehung

ihrer Fugendichtigkeit, mit einem Überdruck im Brandraum von 10 Pa geprüft. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden aus folgenden Gründen die Brandversuche mit 0 Pa Druckunterschied durchgeführt:

- Die Gasanalysatoren wurden bei Atmosphärendruck kalibriert. Überdruck am Gaseintritt kann die Meßgenauigkeit beeinflussen.

- Die Drucksteuerung erfolgte über die Stellung der Abluftklappen. Eine offene Klappe ermöglichte eine präzise Steuerung der ETK und damit gut reproduzierbare Versuchsbedingungen.

- Aufgrund zahlreicher Vorversuche konnte ein wesentlicher Einfluß der Druckdifferenz auf die Ab- brandgeschwindigkeit ausgeschlossen werden.

2.2.1.7 Einfluß der Brandeinwirkung auf die Holzfeuchte

Gleichzeitig mit dem Zuschnitt der Proben wurde direkt vor Versuchsbeginn eine 10 mm dicke Scheibe entnommen und in 5 mm Streifen aufgespalten, die sofort gewogen wurden, um die Holzfeuchte gemäß DIN 52 183 zu bestimmen. Sobald die Proben nach Ende des Brandversuchs manipulierbar waren (5-10 min), wurde aus der Probenmitte wiederum eine 10 mm dicke Scheibe geschnitten, aufgespalten und gewogen, anschließend erfolgte die Holzfeuchtebestimmung gemäß DIN 52 183 (Abb. 2-10).

Abb. 2-10: Schema der Probenentnahme zur Erstellung von Feuchteprofilen vor und nach Brandbean­

spruchung (Angaben in mm).

2.2.1.8 Datenverarbeitung

Datenerfassung:

Die Aufnahme der Meßsignale erfolgte über Datenwandler an den PC (HP-Vectra 16 MHz).

A/D-Wandler: 1. Multireg (Fa. Siemens) 30 Kanäle, interne Temperaturkompensation.

Messung der Thermospannungen und Umrechnung in °C.

2. ADA (Fa. MSR) 8 Kanäle, 2 Steuerrelais 220 V.

Meßsignal der aktuellen Gasentnahmestelle, Ansprache des Steuerventils für die Druckimpulse bei der kontinuierlichen Messung von v.

3. K500 (Fa. Keithley) 8 Kanäle.

Meßsignale der Gasanalysatoren, der induktiven Wegaufnehmer und der Ringwaage.

Software: Mit der Programmsprache Asyst (Fa. Keithley) wurden alle Programme zur Steuerung der A/D-Wandler und zur Datenübernahme neu erstellt¹. Besondere Bedeutung kam dabei der zeitlichen Harmonisierung der Meßsignalaufnahme zu, die in der späteren Auswertung für die exakte Zuordnung zu einem bestimmten Ereignis notwendig ist.

Datenauswertung:

Mit der Programmsprache Asyst wurden eigene Auswerteroutinen geschrieben, denen für die erforderli­

chen Rechenoperationen die folgenden Algorithmen zugrunde lagen:

1. Kurvenapproximationen: Methode der kleinsten Quadrate 2. Integralrechnung: Simpson-Regel

Weitere Datenauswertung erfolgte mit dem Tabellenkalkulationsprogramm Quattro Pro 2.0 (Fa.

Borland).

2.2.2 Versuche am Wandprüfstand

2.2.2.1 Versuchsbedingungen

Ursprünglich ist der Wandprüfstand nach DIN 4102 Teil 2 zur Prüfung vertikal angeordneter flächiger Bauteile konzipiert und sieht keine Möglichkeit vor, Brandversuche an Balken durchzuführen. Für die geplanten Untersuchungen an biegebelasteten Balken waren dementsprechend umfangreiche Umbau­

bzw. Erweiterungsmaßnahmen erforderlich. Wichtige Kriterien waren dabei:

- keine Beeinträchtigung der Wandprüfstand-Eigenschaften als Prüfgerät nach DIN 4102 Teil 2.

- Erzeugung einer allseitig gleichen Brandbelastung der Balken nach der ETK.

- Gewährleistung einer Lastaufbringung von ca. 1100 kg.

- Prüfmöglichkeit für 4400 mm lange Balken.

1 Für die Erstellung der EDV-Programme zur Datenerfassung sei Herrn Dieter Kirbis ganz beson­

ders gedankt. Nur seinem uneigennützigen Engagement ist es zu verdanken, daß der große Meßaufwand im Rahmen dieser Untersuchungen realisiert werden konnte.

2.2.2.2 Erweiterung des Prüfofens

Durch einen vor die Ofenöffnung (2000/2500 mm Breite/Höhe) gespannten transportablen Vorbau (2200/2700/650 mm Breite/Höhe/Tiefe), wurde der Wandprüfstand nach vorne erweitert (Abb. 2-1 Der Vorbau bestand aus einem Stahlrahmen mit einer 100 mm dicken Ausfachung aus keramischem Isoliermaterial. Für die geschützte Plazierung der Meßgeräte zur Kraft- und Wegmessung wurden im oberen und unteren Teil des Vorbaus isolierte Boxen montiert. Die Öffnungen zur Durchführung der Balken befanden sich in den Seiten des Vorbaus.

Mit dieser Versuchsanordnung konnten die Balken im mittleren Bereich über 2000 mm allseitig beflammt werden. Eine gleichmäßige Brandbeanspruchung aller Balkenseiten wurde durch Veränderung der Venti­

lationsbedingungen erreicht, indem der Gasabzug durch eine einfache Blech-Abdeckung vom hinteren in den vorderen Ofenteil verlegt wurde.

Während des Versuchs wurde der Ofen mit einer isolierten Abschlußwand verschlossen.

1. Wandprüfstand nach DIN 4102 T 2.

2. Vorbau.

3. Öffnung zur Durchführung der Bal­

ken.

4. Box für Wegaufnehmer.

5. Box für Kraftaufnehmer.

Abb. 2-11: Transportable Erweiterung des Wandprüfstandes.

1 Für die umfangreichen Arbeiten beim Bau der Prüfofenerweiterung und für die wertvolle und kreative Unterstützung bei der Entwicklung und Konstruktion der Versuchsanordnungen sei Herrn Manfred Zwack ganz besonders gedankt.

Auch den Herren Alois Ostermaier und Wolfgang Weber sei für ihr persönliches Engagement beim Bau der Versuchseinrichtungen noch einmal gedankt.

2.2.2.3 Einbringung der BSH-Träger

Die Auflager der Balken befanden sich außerhalb der Brandraumes und wurden von der Befiammung des Balkens nicht berührt; die Stützweite betrug 4000 mm. Das Auflager selbst war frei beweglich (Abb.

2-12).

Der Durchgang zum Brandraum war außerhalb des Vorbaus durch eine bewegliche Blechabdeckung (Abb. 2-14), innen durch Steinwolle (Abb. 2-13) gegen Flammenaustritt isoliert. Die Kraftaufnahme durch die Isolierung war somit vernachlässigbar gering.

Abb. 2-12: Versuchseinrichtung mit BSH-Träger im geschlossenen Zustand (1: Auflager der Balken; 2:

Mantelthermoelemente; 3: Meßplatz¹).

1 Für die Verlegung von Datenleitungen und den fachgerechten Anschluß an das Datensystem wird ganz besonders Herrn Christoph Stiller gedankt.

Abb. 2-14: Isolierung des Balkendurchgangs (außen) mit Blechabdeckung (1: Sichtfenster zur Ver­

suchsbeobachtung; 2: Blechabdeckung).

2.2.2.4 Messung des Abbrandes

Die kontinuierliche Abbrandmessung ließ sich bei einer vierseitigen Brandbeanspruchung nicht durch­

führen, es wurde daher der Abbrand nach Methode 1 (vgl. 2.2.1.3.2) bestimmt.

Für die Messung wurden die unverbrannten Balkenenden als Bezugsebene herangezogen. Von dort wurde in 50 mm Abständen in der Balkenmitte bis auf das unverkohlte Holz gemessen. Der Abbrand errechnet sich aus dem arithmetischen Mittel der Messungen.

Für eine genaue Feststellung des Restquerschnittes der Balken zum Zeitpunkt des Bruches, wurde der Versuch sofort beendet, die Brenner abgeschaltet (ca. 5 sec), die Meßeinrichtungen gesichert (ca. 2 min) und der Balken mit Wasser abgelöscht. Anschließend mußten die eingeklebten Thermoelemente entfernt und der Balken aus dem Ofen genommen werden (ca. 6 min). Eventuelle Glutherde wurden dann sofort gelöscht und die Holzkohle mit einem scharfen Werkzeug bis auf das unverbrannte Holz entfernt¹. Der Abbrand an den Ecken, im Bereich der Ofendurchführungen und in Auflagernähe wurde nicht berücksichtigt.

2.2.2.5 Messung der Temperatur im Balkeninneren

Die Temperaturmessung von vierseitig brandbeanspruchten Balken erforderte die Anwendung eines eigenen Meßverfahrens, da die Thermoelemente durch den heißen Brandraum geführt werden mußten.

Die Einbringung der Thermodrähte bereits während der Herstellung der Balken war bei industriell hergestellten BSH-Trägern nicht möglich. Gemessen wurde daher mit Mantel-Thermoelementen 0 1 mm Typ K (NiCr-Ni)2, die von außen in den Balken eingebracht wurden.

Obwohl die Temperaturmessung im Balkenquerschnitt mit Mantelthermoelementen durch Temperatur­

einleitung über den Mantel verfälscht wird (Dorn und Egner 1961) und die Daten dann für Angaben eines Temperaturprofils nicht mehr geeignet sind, wurde entschieden, dieses Meßverfahren anzuwen­

den, da mit den Ergebnissen der Temperaturmessung einseitig brandbeanspruchter Kleinproben im Kleinprüfstand bereits umfangreiche Messergebnisse vorlagen. Die Messung der Balkentemperatur sollte nur dazu dienen, zu überprüfen, ob sich die vierseitige Brandbeanspruchung von der einseitigen wesentlich unterscheidet.

Zur Klärung, ob es sich bei dieser Art der Temperaturmessung um den Effekt der Temperatureinleitung und damit um einen systematischen Fehler handelt oder ob die unterschiedlichen Ergebnisse aus Klein- und Großversuchen auf den Einfluß der vierseitigen Brandbeanspruchung zurückzuführen sind, wurden vergleichende Versuche am Kleinprüfstand durchgeführt.

1 Für die engagierte Hilfe bei der Durchführung der Brandversuche wird Herrn Martin Reinold ganz besonders gedankt. Durch seinen Fleiß und unermüdlichen Einsatz ist es gelungen, die Versuche in einer verhältnismäßig kurzen Zeit durchzuführen.

2 Für die großzügige Spende eines großen Teils der Mantelthermoelemente wird der Zentralstelle für Hochschullieferungen der Fa. Degussa, Hanau recht herzlich gedankt.

Dabei wurden Temperaturprofile von einseitig brandbeanspruchten Kleinproben erstellt, bei denen die Mantelthermoelemente von der Brandseite ins Holz eingebracht und die Meßleitungen durch den heißen Brandraum geführt wurden.

Die Einbringung der Thermoelemente an genau definierten Positionen im Balken ermöglichte die Erstellung eines Temperaturprofils jeder Seite. Die Meßstellen lagen 0, 10, 20, 30 und 40 mm von der jeweiligen Balkenoberfläche entfernt (Abb. 2-15).

Jedes Thermoelement mußte zur dauernden Fixierung an der gewünschten Meßstelle in das Bohrloch geklebt werden, da mit zunehmender Holzkohlebildung und der damit verbundenen stellenweisen Volumenvergrößerung der Kohle, die Gefahr bestand, daß das Thermoelement aus der eigentlichen Meßposition gezogen wird und damit der Meßwert nicht mehr einer definierten Position im Balken zugeordnet werden kann.

— 210 f- H 110 f-

Abb. 2-15: Schema der Temperaturmeßstellen im Balkenquerschnitt. Die Einbringung der Thermoele­

mente in den zweiten Balkentyp erfolgte in gleicher Weise (Angaben in mm).

2.2.2.6 Messung der 0²- , C 0²- und CO-Konzentration

Ebenso wie bei den Kleinversuchen mußten auch für den Wandprüfstand zwei Meßstellen gefunden werden, an denen die Gaskonzentrationen gemessen werden. In Anlehnung an die Messung bei den Kleinversuchen wurden folgende Meßstellen definiert:

Meßstelle 1: in 100 mm Abstand von der dem Wandprüfstand zugewandten Balkenoberfläche.

Meßstelle 2: in der geometrischen Mitte des Wand prüf Standes (ohne Vorbau).