Stahlträger im Schaummantel - Wacker Chemie AG


Stahlträger im Schaummantel

Ob Sportarenen, Wolkenkratzer oder Flughafenterminals – solche Großbauten müssen besonders brandsicher errichtet sein. Erst recht, wenn sie über ein Stahlskelett verfügen, das im Katastrophenfall schnell seine Stabilität verlieren könnte. Das neue Bindemittel VINNAPAS® EZ 3112 von WACKER trägt dazu bei, solche Konstruktionen hitzebeständiger zu machen.

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.

Immer filigranere Architektur

Dr. Wilfried Huster, technischer Leiter für Dispersionen und Resins bei WACKER POLYMERS , bei einer Besprechung mit Stefanie Werkstetter im Lager des anwendungstechnischen Labors.

„Die Architekturen werden immer filigraner und feiner. Gleichzeitig müssen die Gebäude trotzdem allen vorgeschriebenen Sicherheitsstandards genügen“, erklärt Dr. Wilfried Huster, Leiter der Anwendungstechnik für Dispersionen in Europa bei WACKER POLYMERS. Das gilt vor allem im Falle eines Feuers. Zwar sind die Stahlträger selbst nicht entflammbar, dennoch ist große Hitze die Achillesferse dieses sonst so stabilen Werkstoffs. Bereits ab einer Temperatur von 500 Grad Celsius verlieren Stahlskelettkonstruktionen rapide an Festigkeit – und die Gebäude drohen einzustürzen. „Der Stahl ‚schwimmt’ regelrecht weg“, sagt Dr. Niels Friede, Verfahrenstechniker und Leiter Gefahrenabwehr/Brandschutz bei WACKER in Burghausen. Zudem dehnt sich der Werkstoff bei Hitze erheblich aus. „Während sich Stein- oder auch Holzwände kaum verziehen, verändert sich die Länge und Breite der Metallträger. Andere Bauteile werden dadurch weggedrückt und die Gebäudestabilität sinkt weiter“, ergänzt Friede.

Mehr Durchhaltevermögen

Brandschutzbeschichtung im Labortest bei Clariant: Ab einer Temperatur von 200 bis 250 Grad Celsius beginnt sich der Hauptbestandteil Ammoniumpolyphosphat zu zersetzen und reagiert mit Pentaerythritol zu Phosporsäureestern. Bei höheren Temperaturen zersetzt sich dann auch das enthaltene Melamin, wobei gasförmiger Ammoniak und Sauerstoff entstehen, die den kohlenstoff- und phosphorhaltigen Rückstand des Esters aufblähen.

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.

In wenigen Minuten baut sich so eine mehrere Zentimeter dicke Schutzschicht auf, deren Dicke mehrere Hundert Male höher ist als die ursprüngliche Beschichtung.

Damit sich der gewünschte Isolierschaum im Falle eines Brandes bilden kann, bestehen die Intumeszenzbeschichtungen aus verschiedensten Komponenten: Neben „reaktiven“ Bestandteilen wie Melamin, Pentaerythritol und Ammoniumpolyphosphat (zum Beispiel Exolit® AP von Clariant) sind auch organische Bindemittel enthalten, die WACKER produziert. „Bei einer Brandschutzbeschichtung muss das Bindemittel aber nicht nur die Füllstoffteilchen zusammenzuhalten wie bei herkömmlicher Wandfarbe. Das Aufgabenspektrum ist in diesem Fall viel weiter gefasst“, betont Huster.

Ab Temperaturen von 250 Grad Celsius schmilzt das Bindemittel zunächst und bildet dadurch eine geeignete Matrix für die anschließenden thermochemischen Reaktionen: Zunächst zersetzt sich das Ammoniumpolyphosphat – mit einem Viertel ist es der Hauptbestandteil der Intumeszenzbeschichtung – und gibt Phosphorsäure frei. Diese reagiert mit Pentaerythritol weiter zu Phosphorsäureestern. Erhöht sich die Temperatur weiter, beginnen sich diese Ester wieder zu zersetzen und es bilden sich kohlenstoff- und phosphorhaltige Rückstände. Gleichzeitig zersetzt sich auch das Melamin, wobei die gasförmigen Substanzen Ammoniak und Stickstoff entstehen. Diese Gase blähen den kohlenstoff- und phosphorhaltigen Rückstand des Esters auf – und die isolierende Schaumschicht baut sich allmählich auf.

Turbulenzen und Erschütterungen

„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.“

Schutz durch Volumen

Brandtest an Stahl: Grafik 1: Stahlträger ohne Intumeszenzbeschichtung

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.

Grafik 2: Stahlträger mit Intumeszenzbeschichtung

Für Bauwerke aus Stahl, seien es nun gläserntransparente Messehallen oder himmelstürmende Bürohochhäuser, sind heute in fast allen Ländern entsprechende Feuerwiderstandszeiten vorgeschrieben, die sogenannten F-Klassen: F 30 bedeutet beispielsweise, dass eine tragende Stahlkonstruktion im Brandfall unter Normbedingungen mindestens 30 Minuten dem Feuer beziehungsweise der Hitze standhalten muss. „Je schlanker das Stahlprofil ist, desto stärker muss die Brandschutzverkleidung sein, um den geforderten Feuerwiderstand zu erreichen. Heute lassen sich sogar Intumeszenzrezepturen mit F-Klassen von zwei Stunden und mehr realisieren“, sagt Achim Hennemann von Clariant.

Mit VINNAPAS® EZ 3112 trägt auch WACKER seinen Teil dazu bei, dass im Brandfall die Stahlkonstruktion die vielleicht lebensrettenden Minuten länger standhält.

"Matrix für den Schaum" - Brandschutz schafft Zeit - und rettet Leben, sagt. Dr. Klaus Bender, Leiter des Bereichs Technical Marketing Intumescent Coatings bei Clariant

Dr. Klaus Bender leitet die Anwendungstechnik für Brandschutzbeschichtungen bei der Clariant AG.

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.