Stahlträger im Schaummantel

Ein Ball bewegt die Massen: Wenn die Fußball-WM 2014 und die Olympischen Spiele 2016 in Brasilien starten, werden ganze Nationen vom Sportfieber gepackt. Zehntausende Fans strömen dann in die gigantischen und futuristischen Arenen: Luftige Dachkonstruktionen aus Stahl und Gebäudekonstruktionen in Stahlskelettbauweise machen die Sportspektakel zu einem unvergesslichen Erlebnis. Stahlskelette haben ein geringes Eigengewicht, können aber hohe Lasten tragen und sind dank der Vorfertigung von Teilen und mittels geschraubter Anschlüsse schnell und einfach zu montieren. Das macht Stahlkonstruktionen zum statisch idealen Grundgerüst für Messehallen oder Flughafenterminals. Vor allem in den Boomstädten Ostasiens ist diese Bauweise auch beim Bau von Bürohochhäusern verbreitet. Doch wo so viele Menschen zusammenkommen, spielt neben der baulichen Effizienz und der Ästhetik auch die Sicherheit eine – im Wortsinn – tragende Rolle.

Ein verlässlicher Brandschutz ist für Bauwerke mit Stahlskelett deswegen immens wichtig. Sogenannte Intumeszenzbeschichtungen (intumeszierend = anschwellend) verleihen den Metallstützen mehr Durchhaltevermögen, falls ein Feuer ausbricht. Diese Schichten werden ähnlich aufgetragen wie Farblacke und sind – je nach Anforderung – nur zwischen 300 Mikrometern und wenigen Millimetern dick. Obwohl diese Hitzebarrieren vergleichsweise dünn sind, bieten sie dennoch einen erheblichen Schutz: „Im Falle eines Feuers bläht sich die Beschichtung auf das Zehn- bis Hundertfache ihrer ursprünglichen Dicke auf, sodass sich um den Stahlträger ein isolierendes Schaumkleid bildet“, erklärt Huster. Dank der feinporigen, kompakten Struktur besitzt die Schutzschicht eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Dadurch erhöht sich die Temperatur auf der Stahloberfläche deutlich langsamer – und die kritischen 500 Grad Celsius werden erst viel später erreicht. „Die Gebäude halten einem Feuer länger stand, sodass wir als Rettungskräfte wertvolle Zeit gewinnen, um die Menschen zu retten“, ergänzt der Brandfachmann Friede.

„Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass für die Entstehung einer stabilen Matrix spezielle Copolymere auf Basis von Vinylacetat und Ethylen – also unsere VAE Dispersionen – und Terpolymere auf Basis von Vinylacetat, Ethylen und Vinylester besonders gut geeignet sind“, erklärt Huster. Ohne Bindemittel ließe sich die isolierende Wirkung der Hitzebarriere kaum erfüllen, weil diese ansonsten zu spröde wäre und nicht ausreichend auf dem Metalluntergrund haften würde. „Während eines Brandes entstehen meist starke Luftturbulenzen und Erschütterungen. Da ist es wichtig, dass die Schaumschichten nicht abplatzen“, weiß Achim Hennemann, Key Account Manager Intumescent Coatings beim Chemiekonzern Clariant, der mit Ammoniumpolyphosphat (Exolit^®) die Hauptkomponente von Brandschutzbeschichtungen herstellt.

Das Bindemittel spielt in solchen Intumeszenzbeschichtungen eine zwar unterstützende, aber dennoch für die Wirksamkeit mitentscheidende Rolle. Von ihm hängt es ab, wie schnell sich die Schaumschicht ausbildet und wie dick sie den Stahlträger einhüllt. Deshalb haben die Experten von WACKER POLYMERS bei der Entwicklung ihrer neuen Dispersionen speziell für solche Anwendungen eng mit den Kollegen von Clariant zusammengearbeitet. Die neue VINNAPAS® EZ 3112 Dispersion weist eine stärkere Schaumentwicklung mit einer noch feineren, kompakteren Porenstruktur auf. Diese höhere Effizienz erlaubt geringere Auftragsstärken bei gleicher isolierender Wirkung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Dank des neuen Bindemittels müssen also weniger Schichten aufgetragen werden.

„Oft benötigt man für eine Intumeszenzbeschichtung bis zu sieben Anstriche – und die entsprechenden Trocknungsperioden“, erklärt Clariant-Manager Hennemann. „Dünnere Schichten mit der gleichen Leistung, sprich Feuerwiderstandszeit, sparen also Material und Zeit – und damit Kosten.“

Gleichzeitig konnten die WACKER-Experten mit VINNAPAS^® EZ 3112 den zunehmenden Nachhaltigkeitsanforderungen gerecht werden, denn das neue Bindemittel kommt ohne Weichmacher aus und wird ohne alkylphenolethoxylatehaltige Materialien produziert. Ein weiterer Umwelt-Vorteil: Die Dispersion basiert nicht auf organischen Lösungsmitteln, sondern auf Wasser. „Und der Markt für wasserbasierte Brandschutzanstriche könnte in den nächsten Jahren deutlich wachsen“, schätzt Hennemann.

Aber nicht nur im Falle eines Feuers muss das Bindemittel seine Aufgabe erfüllen. Meist lagern die Brandschutzbeschichtungen in den Beständen der Beschichtungsunternehmen eine Zeit lang. „Währenddessen darf sich die Viskosität nicht verändern – die Lagerstabilität muss also erfüllt sein“, betont WACKER-Fachmann Huster. „Mit unserem neuen Bindemittel können wir diese auch bei höheren Umgebungstemperaturen gewährleisten.

Warum sind für Stahlbauten ganz spezielle Brandschutzvorkehrungen wichtig?

Während eines Feuers entstehen extrem hohe Temperaturen. Zwar brennt das Metall selbst nicht, aber ungeschützt können Stahlträger – je nach Heftigkeit des Brandes und Dicke der Stützen – in zehn bis 20 Minuten erweichen und zusammenbrechen. Um der Feuerwehr überhaupt ausreichend Zeit zur Evakuierung zu geben, müssen solche Gebäude besonders gut gegen Feuer geschützt werden. Intumeszenzbeschichtungen eignen sich hier besonders gut, um die Stahlkonstruktion vor der Hitzeeinwirkung zu schützen. Denn im Falle eines Brandes schäumen diese Beschichtungen bis zum Hundertfachen ihrer ursprünglichen Dicke auf. Der Hitze abweisende, kompakte Schaum besteht aus einem stabilen Kohlenstoffgerüst. Durch die Hitzeeinwirkung reagieren die Komponenten und verfestigen sich dadurch noch weiter.

Wie testen Sie Inhaltsstoffe für Brandschutzbeschichtungen?

Auf kleinen Stahlplatten prüfen wir auch in unseren Laboren in Hürth-Knapsack das Verhalten von Intumeszenzbeschichtungen unter Hitze. In speziellen Öfen können wir Brandszenarien simulieren und Brandkurven nach DIN 4102 Teil 8 durchspielen. Nach 35 Minuten sind darin beispielsweise 800 Grad Celsius erreicht. Anfangs sind die Schaumschichten schwarz, werden mit zunehmender Hitze immer heller und sind am Ende fast schneeweiß. Ähnlich wie verkohltes Holz, das sich später zu Asche verwandelt.

Welche Inhaltsstoffe sind in Intumeszenzbeschichtungen von Bedeutung?

Die Hauptkomponente bildet mit circa 20 bis 30 Prozent, je nach Formulierung, das Ammoniumpolyphosphat (APP), das Clariant unter dem Namen Exolit^® AP in Deutschland produziert. In erster Linie besteht die schaumige Hitzebarriere aus den Zersetzungsprodukten dieser Substanz und einer weiteren Chemikalie, die als Kohlenstoffquelle fungiert. Eine Schlüsselkomponente für die Intumeszenzbeschichtung ist aber vor allem die Qualität des Bindemittels – damit steht und fällt eine gute Rezeptur. Denn das Bindemittel bildet die Matrix für den späteren Schaum.

Was müssen die aufgeschäumten Schutzschichten im Brandfall leisten?

Ihre wichtigste Aufgabe ist es, die Temperatur auf der Oberfläche des Stahls möglichst gering zu halten. Die Intumeszenzbeschichtungen verlängern damit vor allem die Zeit für Rettungsarbeiten. Je nachdem, welche Feuerwiderstandsklasse für das Gebäude vorgeschrieben ist – das ist von Land zu Land ganz verschieden– darf der Stahlträger die kritische Temperatur erst nach beispielsweise 30, 60, 90 oder 120 Minuten erreichen. Das ist wertvolle Zeit, um Menschen zu evakuieren. Gerade in Krankenhäusern, Flughäfen, Einkaufszentren oder Sportarenen, wo sich viele Personen gleichzeitig aufhalten, ist mehr Zeit zur Bekämpfung des Brandes lebensrettend. Wichtig ist auch, dass die Brandschutzbeschichtungen selbst eine lange Lebensdauer haben und auch nach vielen Jahren oder Jahrzehnten noch ihre volle Wirkung entfalten können. Für die tragenden Bauteile sind deswegen regelmäßige Kontrollen der Beschichtungen vorgesehen. Und falls die Schichten tatsächlich mechanische Schäden aufweisen, lassen sie sich auch durch lokales Abschleifen und Neulackieren ganz unproblematisch reparieren.