Patil_Experimentelle Untersuchung Ѓber die W„rmeleitf„higkeit in

Experimentelle Untersuchung über die Wärmeleitfähigkeit in teilweise geschützten
Aluminiumprofilen
Experimental evaluation over the thermal conductivity in partly protected aluminium
profiles.
Johannes, HEIMANN, Wiss. Mitarbeiter, M.Eng.
TU Kaiserslautern, Deutschland
[email protected]
Mayur, PATIL, Wiss. Mitarbeiter, M.Sc
TU Kaiserslautern, Deutschland
[email protected]
und
Dirk, LORENZ, Professor, Dr-Ing.
TU Kaiserslautern, Deutschland
[email protected]
Auszug
Diese Arbeit stellt eine Untersuchung über die Effektivität von Brandschutzsystemen an
Aluminiumsystemen da. Diese Untersuchung umfasst zwei Testreihen mit jeweils einem
Probekörper. Die Testreihen unterscheiden sich durch die Form der Aluminiumprofile. Die erste
Versuchsreihe wird an I-Profilen, die Zweite an U-Profilen aus Aluminium vorgenommen.
Beide Testreihen unterscheiden sich lediglich durch die Profilform. In beiden Fällen durchstoßen die
Profile einen Dichtblock aus Kalziumsilikatplatten. Die entsprechenden Öffnungen werden an der
Innenseite mit Brandschutzmaterial ausgefacht. Die Unterseite des Dichtblocks ist der Brandkammer
des Kleinbrennerofens zugewandt. Die Profile stehen jeweils an der ober und Unterseite des
Dichtblocks über. Der Brandverlauf im Kleinbrennerofen folgt der Standartkurve gemäß ISO 834. Ziel
der Untersuchung ist, Erkenntnisse über den Einfluss von diversen Brandschutzsystemen auf die
Temperaturverteilung innerhalb der Aluminiumprofile zu erhalten.
Schlagwörter
Aluminiumprofil; U-Profil; I-Profil; Wärmeleitfähigkeit von Aluminium;
Aluminiumkonstruktion; Standartkurve gemäß ISO 834; DIN EN 1363
Brandgeschützte
Abstract
This paper is a survey about the efficiency of fire protection systems on aluminium constructions. The
survey will contain two serials of specimen. The first version is a serial of aluminium I-profiles. The
second version contains a serial of aluminium U-profiles.
Both serials are designed equal. They are only differing between I-profiles and U-profiles. In both
cases the aluminium profiles pierce a pile of fire protection tiles were chosen as test specimen. The
gaps between the aluminium rails and the fire protection tiles are coated with different fire
protection materials. The part below the fire protection tiles is located directly in the burning
chamber of the oven and exposed to the fire. The upper part juts out of the fire protection tiles. The
generated fire follows the ISO 834 standard fire curve. Objective of this survey is to figure out the
influence of different fire protection material, systems and configurations on the heat conduction of
aluminium.
Keywords
Aluminium profile; Aluminum U-profile; thermal conductivity of Aluminium; fire Protection;
protected Aluminium construction; Experiment; ISO 834 standard fire curve; DIN EN 1363
1. Einleitung
Der Baustoff Aluminium wird heutzutage immer öfter eingesetzt, sowohl in Leichtbaukonstruktionen
als auch in der Anlagentechnik. Gegenüber dem Werkstoff Stahl hat Aluminium den Vorteil des
geringeren Gewichts sowie der längeren Haltbarkeit [1]. Jedoch stellt sich hier die Frage der
Beständigkeit bei Brandeinwirkung. Im Gegensatz zu Stahl schmilzt Aluminium wesentlich schneller
und leitet Wärme deutlich besser. Hieraus ergeben sich die Fragestellung, in wie weit Aluminium
geeignet ist, Brandabschnittsübergreifend eingesetzt zu werden, wie sich ein Versagen von
Aluminiumkonstruktionen unter Brandeinwirkung verhindern lässt und ob es möglich ist,
Abschottungssysteme für Aluminium zu nutzen welche einen Ausreichenden Schutz bieten.
Die vorliegende Arbeit soll eine erste Untersuchung darstellen um weiterführende Forschungen
vorzubereiten und für solche Anhaltspunkte bereitstellen.
Hierzu wurden zwei Versuchsreihen Aufgestellt, bestehend aus jeweils einem Dichtblock, in welchen
10 beziehungsweise 8 Aluminiumprofile eingelassen und mit unterschiedlichen Brandschutzsystemen
versehen wurden.
2. Experimentelle Untersuchung
2.1. Versuchsbeschreibung
Sinn und Zweck des Experiments ist die Untersuchung, wie die Wärmeleitung in Aluminiumprofilen
am besten unterbunden werden kann. Hierzu wurden 2 Testreihen mit unterschiedlicher
Profilausbildung angelegt und unterschiedlich konfiguriert. Beide Probekörper wurden dann jeweils
im Kleinbrennerofen einem Brandereignis ausgesetzt. Die Brandprüfung erfolgte gemäß DIN EN 1363
[2], die Brandbelastung entsprechend ISO 834 [3].
Dichtblock
T1
T2
Tabelle 1: Übersicht Versuchsreihen
Anzahl der Profile
10
8
Profilform
I-Profil
U-profile
2.1.1. Beschreibung der Probekörper
Die Probekörper unterscheiden sich lediglich in der Form und der Anzahl der Profile. Ansonsten sind
sie gleich aufgebaut. Sie bestehen aus einem Dichtblock aus mehreren Lagen von je 25 mm dicken
Kalziumsilikatplatten des Typs Promasil L300 [4], welche miteinander mithilfe von Klebepaste
verklebt [5] bzw. verschraubt wurden. Durch die Platten wurden die entsprechenden Öffnungen für
die Profile ausgeschnitten. Entsprechend der Unterschiedlichen Profile wurden die Dichtblöcke so
ausgeschnitten, dass rund um die Profilschienen beidseitig ein ausreichend großer Abstand zur
Außenwand der Ausfachung bestand. Die Innenseiten der Ausfachungen wurden mit
Brandschutzmaterialien gemäß Tabelle 2 und 3 Bekleidet.
Profilnummer
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
Ausfachendes
Material
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
Palusol
Flaton VPG 12
Größe
Dichtblock
175
250
250
250
250
250
Profilnummer
Roku-Strip 2.0
Pyro-Safe DGCR
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
250
250
2.7
2.8
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Ausfachendes
Material
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
Flaton VPG 12
Pyro-Safe DGCR
Roku-Strip 2.0
Roku-Strip 2.0
Größe
Dichtblock
175
250
250
250
250
250
300
350
300
350
Tabelle 2: Verwendete Ausfachungen T1
Tabelle 3: Verwendete Ausfachungen T2
Die Profile gemäß Tabelle 4 und 5 wurden außerdem mit einem zusätzlichen Brandschutzsystem
versehen:
Profilnummer
1.4
1.5
Beschichtung
Brandschutzfarbe
Palusol
Profilnummer
2.3
2.4
Tabelle 4: Beschichtete Profile Versuchsreihe T1
Beschichtung
Brandschutzfarbe
Brandschutzfarbe
Tabelle 5: Beschichtete Profile Versuchsreihe
T2
Die Entsprechenden Kennwerte der aufgeführten Materialien sind den Quellen [6], [7], [8] und [9] zu
entnehmen
Die Maße der Profile können den nachfolgenden Tabelle 6 entnommen werden:
Profil
1.1; 1.3 – 1.6
1.8 – 1.10
2.2 – 2.8
1.7
1.2; 2.1
Material
Aluminium
Breite [mm]
150
Höhe [mm]
1000
Dicke [mm]
4
Aluminium
Stahl
150
150
1000
1000
8
4
Tabelle 6: Maße der Verwendeten Profile
Die U-Profile verfügen über eine Flanschlänge von jeweils 50 mm.
Die Aluminiumprofile standen sowohl an der Unterseite als auch an der Oberseite der Dichtblöcke
deutlich über wie in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt wird. Alle Profile ragten 300 mm in den
Brandraum herein.
Die Aluminiumprofile wurden gemäß den beiden Abbildungen 1 und 2 mit Thermoelementen zur
Temperaturmessung versehen. Insgesamt wurde die maximal mögliche Anzahl von 32
Thermoelementen verbaut, deren Lage ist ebenfalls in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Die
Thermoelemente wurden gemäß DIN EN 1363-1 verbaut.
Die Profile selbst wurden oberhalb der Dichtblöcke an Gewindestangen aufgehängt und durch die
Ausfachungen geführt. Es gab keine Berührungspunkte zwischen den Profilen und der jeweiligen
Ausfachung.
Jeweils ein Profil pro Dichtblock bestand aus Stahl und nicht aus Aluminium. Es handelte sich hier um
die Profile T1.2 und T2.1. Außerdem wurde das Profil T1.7 in doppelter Blechdicke ausgeführt. Diese
Konfiguration wurde vorgenommen um einen Referenzrahmen zu erhalten.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Probekörpers 1. Dargestellt sind die späteren Handmesspunkte
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Probekörpers 2. Dargestellt sind alle Messstellen
2.1.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus
Die Dichtblöcke mit den eingesetzten Profilen wurden jeweils einzeln im Kleinbrennerofen der TU
Kaiserslautern getestet. Für beide Versuche wurde eine Versuchsdauer von 180 Minuten angesetzt.
Während des Versuches wurden keine äußeren Belastungen vorgenommen. Der Brandverlauf folgte
den Vorgaben gemäß ETK.
Abbildung 3: Eingebauter Probekörper T1
Abbildung 4: Eingebauter Probekörper T2
2.2 Versuchsdurchführung
Beide Probekörper wurden auf die gleiche Weise eingebaut, um die Dichtblöcke herum abgedichtet
und mit Thermoelementen versehen. Nach dem zünden des Ofenbrenners wurden die geforderte
Temperatur gemäß ETK gefahren und eingehalten. Die Versuche endeten jeweils nach 137 Minuten
(I-Profile) und nach138 Minuten (U-Profile) wie geplant.
2.3 Beobachtungen
Beobachtung während des Versuches an den Schienenprofilen
Minute 0:
Start der Brenner und beginn des Experiments
Minute 4:
Beginnende Schmelze an den Aluminiumprofilen
Minute 40:
Versagen der Thermoelemente
Ausgleichsleitungen
Minute 45:
Beginn der Handmessung an den Profilschienen
Minute 137:
Ende des Versuchs
infolge
von
zum
Teil
geschmolzenen
Beobachtungen während des Versuches an den U-Profilen
Minute 0:
Start der Brenner und beginn des Experiments
Minute 3:
Beginnende Schmelze an den Aluminiumprofilen
Minute 4:
An Messstelle 8 müssen Plus und Minuspol getauscht werden. Kontrollmessungen
per Hand zeigen, dass jetzt die tatsächlichen Temperaturen gemessen werden.
Minute 5:
Die Messstellen 2 und 10 müssen umgepolt werden. Kontrollmessungen sind nicht
möglich.
Minute30:
Die Messstelle 10 muss umgepolt werden. Kontrollmessungen per Hand zeigen, dass
jetzt die tatsächlichen Temperaturen gemessen werden.
Minute 40:
Die Messstelle 4 muss umgepolt werden. Kontrollmessungen per Hand zeigen, dass
jetzt die tatsächlichen Temperaturen gemessen werden.
Minute 70:
An Profil 2.1 schiebt sich einer der Streifen mit Brandschutzmaterial aus der Öffnung
des Dichtblocks nach oben heraus.
Minute 138
Ende des Versuchs
3 Versuchsergebnisse
3.1.1 Messergebnisse I-Profile
Hier werden die Hand und die Sensordaten gegeneinander gestellt.
Da die Messstellen während des Versuchs mit den I-Profilen zum Teil stark schwankten und zum Teil
durch den Kontakt mit der Außenwand des Ofens geschmolzen waren, wurde ab Minute 45 in
regelmäßigen Abständen eine Handmessung an allen I-Profilen durchgeführt. Die Messungen fanden
jeweils direkt neben den Thermoelementen im Bereich 5 cm oberhalb des Dichtblocks statt. Ein
späterer Kontrollabgleich der Handmessungen mit den Messdaten zeigte gravierende Abweichungen
zwischen beiden Messungen. Aufgrund der Tatsache, dass einige Kabel geschmolzene Stellen oder
direkten Kontakt zur Ofenaußenwand hatten sind diese wenig vertrauenswürdig. Das Messgerät
welches für die Handmessungen verwendet wurde, zeigte auch in einer Nachprüfung plausible
Messwerte an. Daher wurden für die Auswertung des Versuchs lediglich die Daten der Handmessung
herangezogen. Es ist jedoch hierdurch nicht möglich, die Temperaturverteilung innerhalb des
Dichtblocks zu untersuchen. Ein Grund für das Versagen der Messstellen wurde bereits in anderen
Versuchen Beobachtet. Das Verwenden von Ausgleichsleitungen in der Nähe des Prüfofens kann
aufgrund der fehlenden Temperaturbeständigkeit leicht zu deren Ausfall führen [10]
Abbildung 5 Messergebnisse der Handmessungen an den Profilen 1.1 bis 1.10
3.1.2 Messergebnisse U-Profile
Für die Auswertung des Versuches werden wie bei der Auswertung der I-Profile im Wesentlichen die
Messdaten der Messpunkte jeweils 5 cm oberhalb des Dichtblocks herangezogen. Zusätzlich werden
die Messdaten der Lage 5 cm unterhalb der Oberfläche und der untersten Lage der Profile 2.1 und
2.2 ausgewertet um einen Vergleich zwischen den Stahl- und Aluminiumprofilen ziehen zu können.
Die Messdaten können den Abbildungen 6 bis 10 entnommen werden.
Abbildung 6: Messergebnisse der Profile 2.1, 2.2 und 2.3
Abbildung 7: Messergebnisse des mit Brandschutzbeschichtung erweiterten Profils 2.4 (Brandschutzfarbe unter KSP 23)
Abbildung 8: Messergebnisse der Profile 2.5 bis 2.8
Abbildung 9: Messergebnisse der Profile 2.1 (Stahl) und 2.2 (Aluminium)
Abbildung 10: Messergebnisse der Profile 2.1 (Stahl) und 2.2 (Aluminium)
3.1.3 Gegenüberstellung und Auswertung der Messergebnisse
I-Profile
Für die I-Profile zeigt sich, dass eine Temperaturweiterleitung sich durch die Verwendung eines
Aufschäumenden Materials als Ausfachung in Verbindung mit einer Brandschutzbeschichtung am
effektivsten unterbinden lässt. Zusätzlich gilt hier, dass je dicker der Dichtblock ist, desto effektiver
kann ein Aufschäumendes Material die Temperaturaufnahme aus dem Brandraum verhindern. Die
Verwendung von direkt auf den Profilen aufgebrachten Schutzsystemen (nicht von
Brandschutzbeschichtungen) zeigte sich zumindest in dieser Testreihe eher als Problem, da hier das
Aufschäumende Material behindert werden kann.
Vergleicht man das I-Profil mit doppelter Blechdicke (8 mm) mit einem I-Profil normaler Dicke (4 mm)
und ansonsten gleichen Bedingungen zeigt sich an der Luftseite eine erheblich größere Temperatur.
Ein Grund hierfür könnte das spätere abschmelzen des I-Profils im Brandraum sowie die größere
Angriffsfläche sein.
U-Profile
Bei den U-Profilen zeigt sich im Gegensatz zu den I-Profilen, dass sich hier die Verwendung von
Brandschutzbeschichtungen negativ auf die Temperaturweiterleitung auswirkt. Hier verringert die
ausschließliche Verwendung von Aufschäumendem Material eine Temperaturweiterleitung
wesentlich effektiver.
Für die Messungen am unteren Ende des Dichtblocks kann beobachtet werden, dass sich die
Aluminiumprofile deutlich schneller aufheizen als das Stahlprofil, jedoch ca. 30 Minuten nach Beginn
des Versuchsstarts sich nur noch sehr langsam weiter Temperatur aufnehmen. Stahl hingegen nimmt
kontinuierlich Temperatur auf.
Ein möglicher Grund hierfür kann sein, dass das Stahlprofil nicht abschmilzt. Diese Beobachtung
wiederholt sich in ähnlicher Form bei den Messstellen 5 cm unterhalb der Dichtblockoberfläche. Hier
muss jedoch beachtet werden, dass das Stahlprofil lediglich über einen 175 mm dicken Dichtblock
verfügt. Das Aluminiumprofil sitzt in einem 250 mm dicken Dichtblock. Entsprechend weit liegen die
Messstellen auseinander.
Eine weitere Beobachtung die jedoch nur das Aluminiumprofil betrifft ist das Absinken der
Temperatur im Profil nach ca. 105 Minuten. Siehe hierzu die Abbildungen 9 und 10.
Die Temperaturerhöhung in den Flanschen war in den meisten Fällen nahezu identisch mit der im
Steg. Nur in einem Fall weicht sie deutlich hiervon ab, nämlich bei Profil 2.5. Bei den Fällen, wo
Flansch und Steg sich nicht gleichmäßig erhitzten kann keine Allgemeine Aussage getroffen werden,
was sich stärker erhitzt, da beides vorkam.
Gemeinsame Beobachtungen
Eine Beobachtung, welche bei beiden Versuchsreihen gemacht wurde ist die, dass sich die
Stahlprofile sich Luftseitig deutlich weniger erwärmen als die Aluminiumprofile. Dies ist auch dann
gegeben, wenn die Stahlprofile eine größere Dichtblockdicke besitzen als die Aluminiumprofile.
Des Weiteren gilt in beiden Versuchen, dass je dicker die Dichtblockschicht ist, desto geringer ist die
Temperaturerhöhung an der Luftseite.
4 Schlussfolgerungen und Diskussion der Ergebnisse
Die in diesem Versuch gesammelten Erfahrungen lassen drei Arten von Schlüssen zu. Es können
Schlüsse zu den einzelnen Profilen und Schutzkonfigurationen gezogen werden. Es ist möglich, für
diese Art von Anordnung allgemeine Aussagen zu treffen und es können zur Versuchsanordnung
allgemeine Erfahrungen aufgeführt werden, welche gerade für unerfahrene Prüfer nützlich sein
können.
Durch den Abgleich der Messdaten beider Versuchsreihen konnten einige Beobachtungen getätigt
werden. Zum ersten zeigte sich, dass sich die Stahlprofile an der Luftseite deutlich weniger erhitzten
als die Aluminiumprofile, obwohl diese bis zum Ende des Versuchs nicht abgeschmolzen waren und
so eine deutlich größere Fläche zur Temperaturaufnahme boten als die abgeschmolzenen
Aluminiumprofile. Innerhalb des Dichtblocks war die Beobachtung zumindest bei den U-Profilen
umgekehrt. Ab einem gewissen Zeitraum überstieg die Temperatur im Stahlprofil die im
Aluminiumprofil. Um hierüber Klarheit zu erlangen sollten weitere Versuchsreihen durchgeführt
werden.
Durch weitere Messreihen könnte ebenfalls Klarheit darüber geschaffen werden, ob Sich Flansch und
Steg wirklich unterschiedlich stark erhitzen oder ob es sich hier lediglich um Ungenauigkeit in den
Messungen handelt.
Ebenfalls geklärt werden könnte, wieso sich die Temperatur des Aluminiumprofils im Dichtblock nach
ca. 103 Minuten verringert. Hierzu kann aufgrund der fehlenden Vergleichswerte keine Aussage
getroffen werden.
Das auswerten der Versuchsdaten des Profils 2.4 zeigt, dass das zusätzliche aufbringen von
Brandschutzfarbe auf das Profil nur eine minimale Reduzierung der Temperatur ergibt. Die
Temperatur dieses Messpunktes blieb über die Versuchsdauer lediglich zwischen 5 bis 10 Grad unter
der des auf gleicher Höhe gegenüberliegenden Messpunktes.
Allgemein kann gesagt werden, dass die dem Brandraum abgewandte Seite besser geschützt ist, je
dicker der Dichtblock ist.
Die Nutzung des Kleinbrennerofens gemäß DIN EN 1363 bei einer solchen Versuchsanordnung zeigt
einen massiven Nachteil auf, welcher sich negativ auf die Messwerte auswirken kann. Durch die
Anordnung der Profile in Reihe hintereinander im Brandraum und der Anordnung des Brenners
direkt vor den Profilen kommt es im Ofen selbst zu einer Abschattung der Profile im Brandraum. Da
die Schächte für die Stahl- und Aluminiumprofile zu Beginn des Versuches nach oben hin offen sind,
kann der Ofendruck erst vernünftig geregelt werden, wenn die Schächte durch das
Brandschutzmaterial zu geschäumt werden.
Ein weiteres Problem ergibt sich bei der Nutzung von Ausgleichsleitungen in der unmittelbaren Nähe
zum Brandofen. Bei längeren Versuchen erwärmt sich die Außenhaut so sehr, dass es hier zu Schäden
an den Messelementen kommen kann und die Messungen unbrauchbar werden.
References
[1] GDA – Gesamtverband der Aluminiumindustrie e.V.: An die Zukunft denken – mit Aluminium
bauen, Düsseldorf, 2012
[2] DIN EN 1363: Part one: Fire resistance tests- General Requirements; German version EN 13631:2012, Oktober 2012
[3] ISO 834: Part one: Fire-resistance tests – Elements of building construction – Part 1: General
requirements
[4] Allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis P –NDS04 -943: Kalziumsilikatplatte “Promatec L300
Branschutzplatte“ gemäß Dauregelliste A Teil 2 – Ausgabe 2013/1 Lfd. Nr. 2.10.1.1 als
nichtbrennbarer Baustoff (Baustoffklasse A1) nach DIN 4102-1: 1998-05, Hannover, 16.September
2013
[5] Allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis P-MPA-E-99-500: „Klebebpaste S“ bzw „Klebepaste SB“
der Baustoffklasse A1 (DIN 4102-1, 05/1998) zur Verklebung mineralischer Dämmstoffe oder mit
Stahl, Beton oder Mauerwerk im Innenausbau als Bauprodukt der Bauregelliste A Teil 2 (2014/1), lfd.
Nr. 2.10.1.1, Erwitte, 10 Juli 2014
[6] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-19.11.457: Dämmschichtbildende Baustoffe
„Branschutzpappe flaton VP12“ und „Brandschutzpappe flaton VPG 12“, Berlin 22. Mai 2014
[7] Europähische Technische Zulassung ETA-10/0117: Biegsamer aufschäumender
Brandschutzstreifen „ROKU Strip“, Berlin, 3. Juni 2010
[8] Europähische Technische Zulassung ETA-13/0100: Biegsame, im Brandfall aufschäumende
Brandschutzgewebe und im Brandfall aufschäumende Brandschutzmassen, Berlin, 15. März 2013
[9] Vorläufige Technische Information G-KTS/EI (BASF): Palusol Brandschutzplatten, Ludwigshafen,
September 2011
[10] HEIMANN, J.; LORENZ, D.; PATIL, M.: Experimental and Numerical study of the temperature
influence from the fire on the load bearing capacity of the protected steel beam with a secondary
unprotected steel component; Annweiler am Trifels, Beitrag Nr.1 (2014)

Download Report