Brandversuche mit Hybridstrukturen aus Holz und Stahl
Kombinationen aus Holz und Stahl sind nicht neu. Man denke an unterspannte Träger. Hybridstrukturen werden dann verwendet, wenn die Kombination der beiden Materialien einen Gewinn an positiven Eigenschaften mit sich bringt. Das Ziel unserer Forschungsarbeit war, nicht nur die strukturellen, sondern auch die thermischen Fähigkeiten einer solchen Hybridstruktur für den Brandschutz zu nutzen. Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dichte sind dabei die Schlüsselfaktoren. Stahl kann wesentlich mehr thermische Energie aufnehmen und halten als Holz und kann diese auch besser weiterleiten. Im Gegensatz dazu können Holz und Holzkohle verhindern, dass Stahl zu viel thermische Energie aufnimmt. Bei entsprechender Aufteilung der beiden Materialien innerhalb eines Querschnittes erhöht sich der Brandwiderstand und es ist sogar möglich, die Form, die nach einem Brand übrig bleibt, vorherzubestimmen.
Thermische Simulation und Ergebnisse Um den Wärmeaustauschmechanismus im Querschnitt zu beobachten, wurde am ITI eine zweidimensionale Wärmeleitungs-fem-(Finite-Elemente-Methode)-Simulation entwickelt. Ausgehend von einem Querschnitt von 30 mal 30 cm für Rahmenkonstruktionen wurden verschiedene Geometrien in Hinsicht auf ihre Formveränderung bei Verbrennung untersucht. Getestet wurden diese in einer 60 Minuten langen Hitzephase mit einer Einheitstemperaturkurve nach ISO 834 und einer darauf folgenden 3-stündigen Abkühlungsphase. Die daraus resultierenden Umrisse und ihre Tragfähigkeit vor und nach dem Feuer gehen aus der unteren Abbildung hervor. Die Untersuchungen zeigten, dass die Positionierung der Stahleinsätze innerhalb des Querschnittes großen Einfluss auf die Form nach der Verbrennung hat. Der Stahlteil durfte nie heißer als 200 °C werden, da Holz bei ungefähr 250 °C in Holzkohle zerfällt, was zu einer Auflösung der Hybridkonstruktion geführt hätte. Alle vorgeschlagenen Querschnitte erfüllen dieses Kriterium. Der Stahl muss ungefähr 2 bis 3 cm im Holzquerschnitt eingebettet sein, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Wird diese Grenze unterschritten, nimmt der Stahl zu viel thermische Energie auf und wird über 200 °C erhitzt.
Konklusion Drei verschiedene Arten von Säulen und vier verschiedene Arten von Trägern wurden untersucht. Dabei konnte bewiesen werden, dass der in das Holz eingebettete Stahl nicht nur die strukturelle Stärke und Festigkeit verbessern, sondern auch die Verbrennungsgeschwindigkeit des Holzes reduzieren kann, wenn sein Anteil am Querschnitt zwischen 8 und 15 Prozent liegt. Es ist möglich, Holz-Stahl-Kombinationen herzustellen, die wirtschaftlicher sind als Stahlkonstruktionen und einen höheren Brandwiderstand haben.
Forschungsprojekt Bunji Izumi, Yoshiaki Amino, Chi-Jen Chen, Wolfgang Winter: Development of Frame Structures for Multistory Buildings with Partial Bending Stiffness Using Timber-Steel Hybrid Members with Improved Fire Resistance, Proceedings of 10th World Conference of Timber Engineering, 06/2008.
