Sichtbare Holzoberflächen in Holzbauweisen
Das Thema der Verwendung sichtbarer Holzoberflächen im mehrgeschossigen Holzbau wurde erstmals in der Ausgabe 2020 der MHolzBauRL behandelt. Im Entwurf von 2023 wurde die Regelung unverändert übernommen, dass sichtbare Holzoberflächen mit einer nichtbrennbaren Bekleidung für 30 min vor Entzündung geschützt werden müssen. Dies gilt für eine 18 mm dicke Gipsplatte Typ GKF bzw. Gipsfaserplatte als erfüllt. Abweichend hiervon sind je Raum einer Nutzungseinheit entweder die Decke oder maximal 25 % aller Wände (eine Wandfläche) mit brennbaren Bauteiloberflächen zulässig sind. Die Regelung gilt nur für (Teil-) Nutzungseinheiten bis maximal 200 m² Brutto- Grundfläche, jedoch nicht für Sonderbauten nach § 2 Absatz 4 der Musterbauordnung.
Brennbare Oberflächen von einzelnen linienförmigen Bauteilen (zum Beispiel Stützen und Unterzüge) bleiben bei der Ermittlung der zulässigen Oberflächen unberücksichtigt. Die Anforderungen an sichtbare Holzoberflächen in den Richtlinien sind in dieser → Datei erfasst. Nach der Entwurfsfassung 2024-09 der MHolzBauRL sind in Gebäuden mit Nutzungseinheiten oder brandschutztechnisch abgetrennten Raumgruppen bis maximal 200 m² Brutto-Grundfläche sind entweder die Deckenunterseite oder Wandoberflächen mit einer Gesamtfläche von maximal 25 % der Brutto-Grundfläche mit brennbaren Bauteiloberflächen zulässig. Brennbare Oberflächen von einzelnen linienförmigen Bauteilen (zum Beispiel Stützen und Unterzüge) bleiben bei der Ermittlung der zulässigen Oberflächen unberücksichtigt.
In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, welchen Einfluss sichtbare Holzoberflächen im Brandfall auf den Holzbau haben. Im Rahmen des Projektes TIMpuls wurde dieses Thema untersucht. Hierdurch wird deutlich, dass das Zusammenspiel chemischer und physikalischer Prozesse einen entscheidenden Einfluss auf das Brandverhalten hat.
Für eine detailliertere Analyse wurden diese unter Berücksichtigung ihres Einflusses auf die folgenden Aspekte untersucht:
- die Veränderung im Brandverlauf
- die Beeinflussung der Branddynamik im Raum
- die Brandentwicklungsphase
- die Temperaturerhöhung im Raum
- die Flammenhöhe aus der Fensteröffnung an der Fassade
- die Brandentwicklung und Bekämpfung von Fassaden
- die Abklingphase
Zur Ermöglichung einer präzisen Analyse, die sich durch eine möglichst große Anzahl an Eingabedaten auszeichnet, wurde der Anteil sichtbarer Holzoberflächen in vier realen Brandversuchen unterschiedlich berücksichtigt bzw. erhöht. Die vorliegende → Datei bietet eine Übersicht über die Versuchsdetails.
In den anfänglichen Untersuchungen sowie anhand der Ergebnisse von Versuchen im Brandofen konnte festgestellt werden, dass die sichtbare Holzoberfläche in Wechselwirkung mit anderen Parametern die oben genannten Aspekte beeinflusst. Zu diesen Parametern zählen die Ventilationsbedingungen, der Öffnungsfaktor und die mobile Brandlast. Daher ist es entscheidend, ob der Versuch brandlastgesteuert oder ventilationsgesteuert durchgeführt wird. Wie bereits erläutert, wurde bei den TIMpuls-Versuchen der Anteil der sichtbaren Holzoberfläche bzw. der Brandlast variabel gestaltet, während die Ventilation in Abhängigkeit von der Raumgröße konstant gehalten wurde.
Definitionen
In diesem Beitrag werden Bauteile in Holzbauweise in Bauteile mit sichtbarer Holzoberfläche und Bauteile mit Brandschutzbekleidung unterteilt.
Sichtbare Holzoberfläche
Bauteil mit Brandschutzbekleidung
| Sichtbare Holzoberfläche | Bauteile mit Brandschutzbekleidung |
| Bauteile mit sichtbaren Holzoberflächen sind jene, die aus Brettsperrholz oder Brettschichtholz hergestellt wurden und ohne Brandschutzbekleidung auf der Brandseite eingebaut sind. | Bauteile mit Brandschutzbekleidungen sind ein- oder zweilagig mit Gipsplatten oder Gipskartonplatten beplankte Holztafelkonstruktionen oder Brettsperrholzkonstruktionen. |
Untersuchungen von an klein- und mittelmaßstäblichen Räumen in nichtbrennbarer Bauweise mit unterschiedlichen Ventilationsbedingungen zeigen die ersichtliche Abhängigkeit der maximalen Brandraumtemperatur in der stationären Brandphase gegenüber dem Öffnungsfaktor (O).
Der Öffnungsfaktor wird nach Gleichung 3.1, DIN EN 1991-1-2 NA berechnet.
𝑂 = 𝐴𝑊 √ℎ𝑊 / 𝐴𝑡 in m0,5
𝐴𝑊: die Fläche der Ventilationsöffnungen in m²
ℎ𝑊: die gemittelte Höhe der Ventilationsöffnungen in m
𝐴𝑡: die Gesamtfläche der umfassenden Bauteile mit Öffnungsflächen in m²
Diese → Datei bietet einen Überblick darüber, wie die Öffnungsfaktoren im Rahmen der TIMpuls-Versuche berücksichtigt wurden.
Mit steigender Grundfläche des Brandraumes und/oder steigender Brandraumhöhe kann es zu einer Veränderung des Branddynamik im Raum kommen. Die Visualisierung des Zusammenhangs zwischen Raumgröße und Öffnungsfaktor entnehmen Sie dieser → Datei.
Für die Beschreibung der Oberfläche der strukturellen Brandlast wird hier der Faktor φst eingeführt. Er beschreibt das Verhältnis der Oberfläche der strukturellen Brandlast Ast (ungeschützte Holzoberfläche) zu Versuchsbeginn zur maximal möglichen Oberfläche an struktureller Brandlast (Ast,max), wobei die Grundfläche des Brandraumes (Af) und die Fläche der Ventilationsöffnungen (Aw) unberücksichtigt bleiben.
φst= Ast / (At - Af - Aw)= Ast /Ast,max
Ast : Fläche der strukturellen Brandlast m2
At : Fläche der Umfassungsbauteile m2
Aw : Fläche der Ventilationsöffnungen m2
Af : Grundfläche des Brandraumes m2
Ast,max : Maximale Fläche der strukturellen Brandlast im Brandabschnitt m2
Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Temperaturentwicklung und der Wärmestromdichte aus der Ventilationsöffnung sowie der Brandentwicklung bis zum Flashover gegenüber:
• Fläche der ungeschützten Holzoberfläche (φst - Faktor)
• Fläche der Ventilation (Öffnungsfaktor O)
• O=(AW.√(hW ))/At
• ω= φst/O = (Ast.At)/((Ast-At-Af ).AW.√(hW )) -> ω- Wert
TIMpuls Versuchsergebnisse
Im Rahmen der Versuche wurden folgende Randbedingungen berücksichtigt:
- Die Ventilationsbedingungen wurden konstant gehalten.
- Der Öffnungsfaktor (O) wurde konstant gehalten.
- Die mobile Brandlastdichte wurde konstant gehalten.
- Die strukturelle Brandlast wurde variabel gehalten.
- Die Ventilationssteuerung wurde eingesetzt.
Die ausführlichen Ergebnisse der realen Brandversuche finden Sie in der nebenstehenden Datei. Der Einfluss der sichtbaren Holzoberflächen auf den Fassadenbrand und die Löschbarkeit wurde in der Präsentation 10 im Lehrebereich dokumentiert. Detaillierte Informationen zu den abschließenden Realbrandversuchen mit der Auflistung aller Messstellen sowie den Versuchsergebnissen finden Sie auf der Seite TIMpuls Science →.
→ zur Präsentation 10 - Einsatzmittel und Brandbekämpfung im Holzbau
Sichtbare Holzoberflächen im Brandfall
Strukturelle Brandlast
- Innerhalb der Versuche ist aufgrund der Beteiligung der strukturellen Brandlast mehrerer Flächen der Umfassungsbauteile kein Selbstverlöschen zu beobachten.
- Mit den Ergebnissen der Versuche kann festgestellt werden, dass sich durch die strukturelle Brandlast eine verkürzte Brandentwicklungsdauer bis zum Eintritt des Flashovers ergibt. Wesentlich hierbei ist der Brandübersprung auf die strukturelle Brandlast und die thermische Rückkopplung zwischen der mobilen und strukturellen Brandlast.
- Vergleichend zu V1 (φst =35) ist für V2 (φst =37) der Eintritt des Flashover, einhergehend mit dem Brandübersprung auf die strukturelle Brandlast, in der 8. Versuchsminute zu erkennen. Der Verlauf der Wärmefreisetzungsrate der mobilen Brandlast von V2 besitzt eine plausible Übereinstimmung mit den Messdaten von V1. Die zusätzliche Wärmefreisetzungsrate aus der strukturellen Brandlast ist deutlich zu erkennen.
- Die sich bildende isolierende Kohleschicht resultiert in einer Reduktion der Wärmefreisetzungsrate der strukturellen Brandlast, bis das Abfallen einzelner Lamellen der Brettsperrholzwände ab der 40. Minute zu einem erneuten Anstieg führt. Ab der 60. Versuchsminute beginnt das Versagen der Brandschutzbekleidung und ein Mitbrennen der anfänglich geschützten Holztafelbauteile. Das Versagen der Brandschutzbekleidung und der Abfall von Teilen der zweilagigen Bekleidung ab der 30. Versuchsminute führt zu den deutlich sichtbaren Oszillationen im Verlauf der Wärmefreisetzungsrate von V2. In der 92. Minute erfolgt der Versuchsabbruch und mit abwehrenden Maßnahmen einer Feuerwehr wird der Brand gelöscht.
Das Zusammenspiel verschiedener Einflussfaktoren
- Der Verlauf der Brandraumtemperaturen in einer Höhe von 2,30 m zeigt für die Versuche V1 und V2 aufgrund der gleichbleibenden Randbedingungen Ventilationsbedingungen, mobile Brandlastdichte und Entzündung eine nahezu identische Temperaturentwicklung bis zum Beginn der Abkühlphase. Innerhalb der Abkühlphase wird die Temperaturentwicklung im Raum primär über die Wärmefreisetzungsrate der am Brand beteiligten Menge der strukturellen Brandlast bestimmt.
- In V3 (φst = 42) weisen die Brandraumtemperaturen, neben einem nahezu identischen Verlauf dieser bis zum Beginn der Abkühlphase im Vergleich zum Versuch ohne sichtbare Holzoberfläche, eine sehr langanhaltende und langsam fallende Brandraumtemperatur ab der 40. Versuchsminute. Dies ist zum einen auf den großen φst-Faktor und zum anderen auf das Versagen der Brandschutzbekleidung sowie dem damit verbundenen Mitbrennen der anfänglich geschützten Holztafelbauteile zurückzuführen. Der Versuchsabbruch mit Beginn von Löschmaßnahmen erfolgt in der 150. Versuchsminute.
- Bis zum Beginn der Abkühlphase zeigen die Brandraumtemperaturen von V4 (φst = 58) keine wesentlichen Unterschiede zu den anderen Versuchen dieser Serie. Zur Analyse der Wirksamkeit von Löschmaÿnahmen wird der Versuch nach der 65. Versuchsminute bei Brandraumtemperaturen oberhalb 1.100◦C durch einen einsetzenden Löschangri der Feuerwehr beendet.
Eine Veränderung der Brandraumtemperaturen durch die strukturelle Brandlast ist in den Versuchen erst in der Abkühlphase erkennbar. Entsprechend kann die Annahme getroffen werden, dass eine Veränderung der Wärmeverluste durch Strahlung aus der Ventilationsöffnung erst ab dieser Brandphase sich signifikant einstellt.
Die gewonnenen Erkenntnisse sind in der nachfolgenden Datei erfasst:
