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Titelaufnahme

Titel
Development of a simulation tool for the realistic prediction of chemical/physical processes within coated wood components subjected to fire loading / Markus Pfennig
Weitere Titel
Entwicklung eines Simulationsprogramms zur realistischen Abbildung der chemischen/physikalischen Prozesse beschichteter Holzbauteile unter Feuerlast
VerfasserPfennig, Markus
Begutachter / BegutachterinLackner, Roman ; Teischinger, Alfred
GutachterLackner, Roman
ErschienenInnsbruck, 2015
Umfang368 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2015
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2015
Anmerkung
Abweichender Titel durch Autor übersetzt
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Datum der AbgabeDezember 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Finite Differenzen Methode / FDM / Thermogravimetrische Analyse / TG / STA / Thermodynamik / kinetische Modelle / Wärmeleitungsgleichung / Brandschutzlack / Brandschutzbeschichtung / Intumeszens / Holzabbrand / Cone Calorimeter / Diskretisierung / Enthalpy / Arrhenius
Schlagwörter (EN)finite difference method / FDM / thermogravimetric analysis / TG / STA / thermodynamic / kinetic model / heat transfer equation / intumescent coating / wood fire / Cone Calorimeter / discretization / enthalpy / Arrhenius
Schlagwörter (GND)Holzbauteil / Beschichtung / Brandverhalten / Brandschutz / Simulation / Finite-Differenzen-Methode
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3976 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
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Development of a simulation tool for the realistic prediction of chemical/physical processes within coated wood components subjected to fire loading [13.69 mb]
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Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Holz gewinnt als ökologischer, nachhaltiger Rohstoff zunehmend an Bedeutung. Neben vielen Vorteilen wie leichte Verarbeitbarkeit, physikalisch gute Materialeigenschaften, Umweltfreundlichkeit, kostengünstig, nachwachsender Rohstoff besitzt Holz einen wesentlichen Nachteil: es ist brennbar. Gemäß der maßgebenden Normen und Richtlinien waren Holzprodukte in die Klasse „normal brennbar“ nach ÖNORM B 3800-1, 2004 einzureihen und erreichen nach der neuen europäischen Brandklassifizierung EN 13501-1, 2009 nur die Euroklasse D-s2, d0. Durch die Variation von Holzarten (Esche, Buche), Plattendicke und Befestigungsmethode (direkt, hinterlüftet) erreicht man keine Änderung dieser Einstufung. Damit ist die Verwendung von Holz in vielen Bereichen nach OIB Richtlinie 2 gesetzlich limitiert. Allein die Behandlung mit Feuerschutzmitteln (z. B. intumeszierende Beschichtungssysteme) erreicht derzeit eine höherwertige Klassifizierung. Intumeszierende Systeme, auch als Dämmschichtbildner bekannt, werden beispielsweise seit den sechziger Jahren zum Schutz tragender Bauteile verwendet.

Im Zuge dieser Arbeit, die als Teil des fächerübergreifenden Projekts „ K-Regio: Innovative Wood Protection“ entstanden ist, wurde ein numerisches Simulationstool (für die Behandlung von 1D wie auch 2D Problemen) entwickelt. Dieses ist in der Lage, die thermo-chemischen Vorgänge während des Holzbrandes mit Berücksichtigung einer etwaigen, aufschäumenden Brandschutzbeschichtung abzubilden. Dabei erfolgt die Berechnung der Temperaturentwicklung mittels transienter Finite Differenzen Methode (FDM) unter Berücksichtigung der Fourier'schen Wärmeleitungsgleichung. Nach jedem berechneten Zeitschritt wird im Anschluss der thermische Degradationsfortschritt durch die Arrheniusgleichung ermittelt. Die dafür erforderlichen kinetischen Parameter des verwendeten Holztyps Fichte und des Brandschutzlackes stammen aus vorab durchgeführten „ Simultanen Thermogravimetrischen Analysen“ (STA). Die Validierung der Modellparameter und des Rechenprogramms erfolgte mittels Ergebnissen von Brandversuchen, mit einem speziell entwickelten Cone-Calorimeter (Kögl, 2015).

Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein realistisches Brandszenario bei einer Holztragkonstruktion simuliert, die einzelnen Tragelemente nachgerechnet, bemessen und mit Ergebnissen einer parallel durchgeführten Berechnung nach Norm EN 1995-1-2, 2011 und B 1995-1-2, 2011 verglichen. Bei der Auswahl des Tragwerkes wurde darauf geachtet, dass sich dieses in einer Region befindet, in der nur geringe Nutzlasten (vorrangig Schnee) zu berücksichtigen sind, da ansonsten der Lastfall Brand verglichen mit dem Tragsicherheitsnachweis bei Normaltemperatur in den wenigsten Fällen maßgeblich wäre. Abschließend wurden die positiven Effekte eines aufschäumenden Brandschutzlackes in Bezug auf Querschnittsreduktion und zeitliche Verzögerung bis zum Beginn des Abbrandes der Holzkonstruktion abgeleitet.

Zusammenfassung (Englisch)

Wood is an increasingly important ecological, sustainable raw material. Besides many benefits such as easy processability, material with good physical properties, environmental friendliness, costeffective, renewable resource wood has one major drawback: it is flammable. In compliance with building codes, wood products were classified in “normally flammable” according to Austrian Standard B 3800-1, 2004 and only reach the Euro Class D-s2, d0 according to European Fire Classification EN 13501-1, 2009. Variation of the types of wood (ash, beech), plate thickness and fixing method (direct, ventilated) this classification remains unchanged. Thus, the use of wood is limited in many fields according to OIB Richtlinie 2. Only treatment with fire retardants (e.g. intumescent coating systems) results in a higher classification, which are used to protect e.g. bearing components, since the 1960s.

In the course of this work, as part of the interdisciplinary project “K-Regio: Innovative Wood Protection”, a numerical simulation tool (for the solution of both 1D and 2D problems) was developed. This program is able to describe the thermo-chemical processes in wood, in case of fire loading with consideration of an intumescent fire protection coating. For determination of the temperature evolution within the wood sample, transient finite difference method (FDM) is employed, taking into account Fourier's heat conduction Equation. After each calculated time step, the degradation extent is determined by the Arrhenius Equation. The necessary kinetic parameters of spruce and the fire protective coating are obtained from “Simultaneous Thermogravimetric Analysis” (STA). In order to validate the model parameters and the simulation tool, results from fire tests, obtained from a specially designed Cone-Calorimeter were employed (Kögl, 2015).

Using these findings, a realistic fire scenario was simulated on a wooden support structure, the individual carrying elements were re-calculated, sized and compared with results of a calculation according to European Standards EN 1995-1-2, 2011 and B 1995-1-2, 2011. The considered structure is located in a region where only small live loads (primary snow) occur. Otherwise the load case fire compared to the structural safety evaluation at normal temperature would not be decisive in most cases. Finally, the beneficial effects of using intumescent fire protection coatings in terms of reduction of cross-sectional dimensions and time delay up to the beginning of charring are given.