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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Festigkeit von Aschekrusten aus intumeszierenden Materialien nach einem Brandtest.
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In vielen Bereichen, beispielsweise im Baubereich, werden im Brandschutz Materialien mit Brandschutzadditiven eingesetzt, wobei sich die Materialien bei einer starken Erhitzung wie etwa einem Feuer zersetzen (verbrennen), ausdehnen (intumeszieren), und somit eine isolierende Aschekruste bilden. Durch diese Intumeszenz können diese Materialien im Brandfall Öffnungen abdichten und somit eine weitere Ausbreitung des Feuers verhindern oder einen wirkungsvollen Schutz für angrenzende Bauteile bieten, indem durch das verbrannte Material, die Aschekruste, eine ausreichend dicke Isolationsschicht gebildet wird. Vor allem im Baubereich müssen diese Baustoffe auch nach dem Erhitzen und Ausdehnen eine ausreichende Festigkeit gegenüber möglicherweise umstürzende und im ungünstigsten Fall gegen die Kruste fallende Bauteile aufweisen sowie eine Stabilität gegen abrasive Kräfte der mit einer Brandsituation einhergehenden turbulenten Strömungen besitzen. Kritischster Punkt hierbei ist insbesondere eine ausreichende Druckfestigkeit, um auch nach einer solchen äußeren Beeinträchtigung ihre Schutzfunktion erfüllen zu können.
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Die Materialien werden deshalb standardisierten Tests unterzogen, bei denen das Material einem simulierten Brand ausgesetzt wird. Das verbrannte Material, die Aschekruste, muss nach der starken Erhitzung beispielsweise eine definierte Druckfestigkeit aufweisen. Für einen solchen Test wird eine flächige Materialprobe, wie sie beispielsweise zur Abschottung einer Öffnung in einer Wand verwendet wird, in einen Ofen eingesetzt und anschließend ein Brand simuliert, indem die Probe auf einer Seite so stark erhitzt wird, dass sich diese ausdehnt. Anschließend wird die verbrannte Materialprobe aus dem Ofen ausgebaut und die Druckfestigkeit der gebildeten Aschekruste untersucht. Im amerikanischen Raum wird nach den bestehen Prüfvorschriften z. B. ASTM E119 hierzu beispielsweise der Hose-Stream Test eingesetzt. Im europäischen Raum wird die Druckfestigkeit auf unterschiedliche Weise gemessen.
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Dazu ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 047 868 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Druckfestigkeit bekannt. Die Messvorrichtung hat dazu mehrere Einstichnadeln, die in das Material, insbesondere die Aschekruste gedrückt werden, um den Eindringwiderstand nach dem Brandtest zu ermitteln.
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Diese Messmethode hat aber Nachteile. Zum einen muss die Materialprobe aus dem Ofen ausgebaut werden, um diese untersuchen zu können. Dies kann zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen, da diese Materialprobe beim Ausbau oder beim Transport beschädigt werden kann. Zudem muss nach dem Brandtest erst das Abkühlen der Probe abgewartet werden, bevor diese aus dem Ofen entnommen werden kann. Die Materialeigenschaften der Probe können sich aber beim Abkühlen, beispielsweise durch Aufnahme von Luftfeuchtigkeit, verändern.
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Andererseits sind die bekannten Messvorrichtungen aber zu groß, um diese im Ofen zu verwenden. Zudem wird bei diesen Brandversuchen die der Vorderseite, also der Tür abgewandte Rückseite der Probe erhitzt. Diese ist aber mit den bisherigen Messvorrichtungen nicht erreichbar. Auch stellt der Zugang zur Innenseite des Ofens ein Problem dar. Am Ende eines typischen Brandtests herrschen dort Temperaturen, die je nach Testdauer 1000°C überschreiten können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Festigkeit von Aschekrusten aus intumeszierenden Materialien mit Brandschutzadditiven nach einem solchen Brandtest zu schaffen, das eine einfache und zuverlässigere Messung der Festigkeit der Materialprobe, insbesondere unmittelbar nach Durchführung des Brandtests ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
- – Einführen des Schaftes in Einschubrichtung in eine Materialprobe mit eingeklapptem Widerstandselement, bis sich das Widerstandselement auf der Rückseite befindet;
- – Ausklappen des Widerstandselements auf der Rückseite der Probe;
- – Zugbelastung der Vorrichtung entgegen der Einschubrichtung; und
- – Messung der maximalen Auszugskraft.
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Das Verfahren dient der Festigkeitsmessung nach einem Brandtest. Vorzugsweise wird also die Probe vor dem Aufbringen der Zugbelastung einer großen Hitze ausgesetzt, bei der das intumeszierende Material verbrennt und sich ausdehnt wobei eine isolierende Aschekruste gebildet wird. Die Vorrichtung kann nach dem Erhitzen der Probe in diese bzw. in die gebildete Aschekruste eingeführt werden, es ist aber auch denkbar, dass die Vorrichtung bereits vor dem Brandtest in die Probe eingeführt wird.
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Vorzugsweise wird vor dem Erhitzen der Probe eine Referenzmessung an einer nicht erhitzten Probedurchgeführt, um einen Festigkeitsvergleich zwischen erhitzter Probe und nicht erhitzter Probe feststellen zu können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere im Ofen, in dem die Erwärmung der Probe erfolgte, durchgeführt.
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Für das Verfahren wird eine Vorrichtung verwendet, mit einem länglichen Schaft, der in eine Einschubrichtung durch das Material, insbesondere die Aschekruste durchgeschoben werden kann und der an einem in Einschubrichtung vorderen Ende ein zusammenklappbares Widerstandselement aufweist, das auf der Rückseite des Materials ausgeklappt werden kann, und mit einer Messeinheit zur Bestimmung der Auszugskraft beim Herausziehen aus dem Material, insbesondere dem verbrannten Material, der Aschekruste, entgegen der Einschubrichtung.
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Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, die Materialprobe möglichst „vor Ort”, also noch im Ofen zu untersuchen, was nicht einschränkend zu verstehen ist. Dies erlaubt eine Untersuchung des Materials ohne Ausbau aus dem Ofen, sodass eine Beschädigung oder Veränderung der Probe ausgeschlossen werden kann. Die Vorrichtung ist dazu sehr kompakt ausgebildet, sodass ein mobiler Einsatz der Vorrichtung und eine einfache Handhabung im Ofen möglich sind.
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Der Schaft wird mit dem eingeklappten Widerstandselement durch die Probe geschoben, bis das Widerstandselement auf der Rückseite der Probe ausgeklappt oder ausgefahren werden kann. Der Schaft hat mit zusammengeklapptem oder eingefahrenem Widerstandselement eine sehr geringe Querschnittsfläche, sodass beim Einschieben nur geringfügige Materialänderungen entstehen. Anschließend wird das Widerstandselement ausgeklappt bzw. ausgefahren und an die Rückseite der Probe angelegt und das Widerstandselement entgegen der Einschubrichtung auf Zug belastet, wobei die maximale Auszugskraft der Vorrichtung bestimmt wird oder zur Überprüfung eines bestimmten Festigkeitsniveaus eine bestimmte Kraft angelegt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Messung unmittelbar nach dem Brandtest möglich ist, also noch vor dem Abkühlen bei einer noch heißen Materialprobe. Dadurch können Messungenauigkeiten durch äußere Einflüsse, beispielsweise den thermischen Schock beim Abkühlen der Probe, sicher ausgeschlossen werden.
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Zur Bestimmung der maximalen Auszugskraft kann die Messeinheit beispielsweise eine Kraftmesseinrichtung aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird die Zugkraft auf den Schaft bis zur Zerstörung der Probe erhöht und die dafür erforderliche Kraft bestimmt. Die Messeinheit weist vorzugsweise eine Ableseeinheit auf, auf der die gemessene Zugkraft abgelesen werden kann.
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Alternativ ist es möglich, lediglich zu überprüfen, ob die Materialprobe eine bestimmte Festigkeit aufweist, das heißt, einer definierten Druckkraft standhält. In diesem Fall ist es ausreichend, dass die Messeinheit eine Kraftbegrenzungseinrichtung aufweist, die bei einer vorher eingestellten Zugkraft das Widerstandselement oder den Schaft von einer Zugeinrichtung entkoppelt und so ein weiteres Belasten der Probe verhindert.
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Das Widerstandselement kann seitlich ausklappbare oder ausfahrbare Arme aufweisen, die an den Schaft angelegt werden können. Dadurch hat die Vorrichtung im Bereich des Widerstandselements einen sehr geringen Durchmesser, sodass beim Durchschieben der Vorrichtung bzw. des Schaftes durch die Materialprobe lediglich eine geringe Materialveränderung der zu untersuchenden Probe erfolgt. Der Begriff „Arme” umfasst insbesondere langgestreckte Gebilde, aber alternativ auch beliebige Vorsprünge oder Fortsätze.
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Das Widerstandselement kann beispielsweise ein aufklappbarer Schirm sein, der nach dem Durchschieben durch die Materialprobe auf dessen Rückseite aufgespannt wird. Ein solcher Schirm hat in zusammengeklapptem Zustand einen sehr geringen Querschnitt, sodass die Belastung auf die Materialprobe beim Durchschieben des Schaftes sehr gering gehalten werden kann. In aufgeklapptem Zustand bietet der Schirm aber eine verhältnismäßig große Fläche, wodurch auf eine sehr große Fläche Druck ausgeübt werden kann. Dadurch werden im Gegensatz zu den bisher bekannten punktuellen Messmethoden Messverfälschungen aufgrund von Materialfehlern minimiert. Vorzugsweise ist der Schirm symmetrisch ausgebildet, sodass der Schaft im Mittelpunkt dieses Schirms angeordnet ist. Dadurch kann eine ungleichmäßige Belastung der Materialprobe aufgrund von Außermittigkeiten ausgeschlossen werden. Bei Versuchen hat sich ein Schirmdurchmesser im Bereich von 2 bis 5 cm als ideal herausgestellt.
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Der Schirm weist vorzugsweise zumindest drei ausklappbare Arme auf, zwischen denen ein flexibles Material, insbesondere ein Gewebematerial aufgespannt ist. Dies ermöglicht einen sehr klein verpackbaren Schirm bei einer möglichst großen Fläche des Schirmes. Das flexible Material lässt sich einfach zusammenlegen, sodass der Durchmesser des Schaftes im Bereich des Widerstandselements sehr gering ist.
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Die Arme sind jeweils mit einem Gelenk am Schaft gelagert und können entgegen der Einschubrichtung an den Schaft angelegt werden. Beim Einschieben des Schaftes in die Materialprobe lassen sich die Arme dadurch nicht versehentlich ausklappen, sondern werden flach an den Schaft angelegt. Auf der Rückseite der Materialprobe können sich die Arme aufspreizen und wirken beim Herausziehen der Vorrichtung entgegen der Einschubrichtung gewissermaßen als Widerhaken, die sich selbstständig aufspreizen und an der Rückseite des Materials anlegen.
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Um ein versehentliches Öffnen der Arme zu vermeiden, können beispielsweise Federelemente vorgesehen sein, die die Arme an den Schaft heranziehen.
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Um die Querschnittsfläche im Bereich des Widerstandselements möglichst klein zu halten, wodurch Materialveränderungen beim Einschieben der Vorrichtung verringert werden, ist es vorgesehen, dass am Schaft Aussparungen vorgesehen sind, in die die Arme eingeschoben werden können. Dadurch ragen die Arme im Querschnitt betrachtet nicht oder nur geringfügig über den Schaftumfang heraus, sodass die Querschnittsfläche beim Einschieben des Schaftes in die Materialprobe verringert ist.
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Mit der Vorrichtung kann eine Messung der Festigkeit direkt nach der Hitzeeinwirkung, also direkt nach dem Brandtest bei noch heißer Probe vorgenommen werden. Dies ist aber nur möglich, wenn die Vorrichtung aus einem Material besteht, das diesen hohen Temperaturen standhält. Vorzugsweise sind der Schaft und der Schirm deshalb aus einem hitzebeständigen, insbesondere nicht wärmeleitenden Material, zum Beispiel aus Stahl oder Keramik hergestellt.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Vorrichtung bzw. der Schaft der Vorrichtung schon vor dem Brandversuch in die Probe eingeführt wird und dort während des Brandversuchs verbleibt. Nach dem Brandversuch erfolgt so keine weitere Veränderung der Probe durch das Einschieben des Schaftes. Nach erfolgtem Brandtest wird der Schaft lediglich entgegen der Einschubrichtung aus der Probe gezogen, um den Test durchzuführen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass der Schaft nicht wärmeleitend ausgebildet ist, um Hitzeeinwirkungen auf die Messeinheit bzw. auf eine optionale Bedien- oder Greifeinheit zu vermeiden. Es ist auch denkbar, dass die Messeinheit bzw. eine Bedieneinheit oder ein Griff vom Schaft getrennt werden können und erst nach dem Brandtest am Schaft befestigt werden.
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Die Vorrichtung weist vorzugsweise einen Bedienmechanismus zum Aufklappen und Schließen des Schirms auf, der insbesondere am in Einschubrichtung hinteren Ende des Schaftes vorgesehen ist. Die Vorrichtung kann zur Messung verschieden dicker Proben beispielsweise auch längenverstellbar, insbesondere teleskopartig ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Festigkeit von Materialien, und
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2a bis 2d verschiedene Verfahrensschritte bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Festigkeitsmessung an einem Material mit der Vorrichtung aus 1.
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In 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung der Festigkeit von Aschekrusten aus intumeszierenden Materialien nach einem Brandtest gezeigt. Die Vorrichtung 10 hat einen länglichen, sich in eine Einschubrichtung E erstreckenden Schaft 12, an dessen in Einschubrichtung hinterem Ende 14 ein Griff 16 vorgesehen ist. Am entgegengesetzten, in Einschubrichtung E vorderen Ende 18, das hier als Spitze ausgebildet ist, ist ein zusammenklappbares Widerstandselement 20 vorgesehen, dessen Aufbau im Folgenden erläutert wird.
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Am Schaft ist des Weiteren eine Messeinheit 22 vorgesehen, die hier durch eine Kraftmesseinheit 24 mit einer Ableseeinrichtung 26 gebildet ist. Darüber hinaus ist ein Bedienhebel 28 zum Bedienen des ausklappbaren Widerstandselements 20 vorgesehen.
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Das Widerstandselement 20 weist mehrere Arme 30 auf, die jeweils mit einem Gelenk 32 am vorderen Ende 18 des Schafts 12 gelagert sind und entgegen der Einschubrichtung E an den Schaft 12 angelegt werden können. Zwischen den Armen 30 ist ein flexibles, hitzebeständiges Material 34 vorgesehen, das gemeinsam mit den Armen 30 in ausgeklapptem Zustand einen Schirm bildet. Vorzugsweise sind drei Arme 30 vorgesehen, abhängig von der Ausführungsform ist aber auch eine davon abweichende Anzahl Arme 30 denkbar. Der Durchmesser des aufgeklappten Schirms beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 5 cm.
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Am vorderen Ende 18 des Schaftes sind des Weiteren mehrere in Einschubrichtung E verlaufende Aussparungen 36 vorgesehen, die sich von den Gelenken 32 ausgehend entgegen der Einschubrichtung E erstrecken. Die Aussparungen 36 sind so ausgebildet, dass die Arme 30 in diese eingeklappt werden können, sodass die Arme 30 im Querschnitt betrachtet nicht oder nur geringfügig über den Umfang des Schaftes 12 hinausragen.
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An den Gelenken 32 sind des Weiteren Federn vorgesehen, die die Arme 30 an den Schaft 12 heranziehen. Die Arme 30 sind mit dem Bedienhebel 28 gekoppelt und können durch den Bedienhebel 28 zwischen einer eingeklappten Position, in der die Arme 30 in den Aussparungen 36 liegen, und der in 1 dargestellten ausgeklappten Position verschoben werden.
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Das Widerstandselement 20 sowie der Schaft 12 sind vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material, beispielsweise aus Stahl oder aus Keramik. Vorteilhafterweise ist zumindest der Schaft 12 aus einem nicht wärmeleitenden Material, sodass keine Wärmeübertragung vom Widerstandselement 20 bzw. vom Schaft 12 auf die Messeinheit 22 und den Griff 16 erfolgen kann.
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Die Messung der Festigkeit eines intumeszierenden Materials entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer solchen Vorrichtung 10 ist in den 2a bis 2d dargestellt. Dazu wird eine Materialprobe 40 in einem Halterahmen 41 in einem hier lediglich angedeuteten Ofen 38 positioniert, wobei die Materialprobe 40 mit dem Halterahmen 41 den gesamten Querschnitt des Ofens 38 ausfüllt. Dadurch ist eine nach außen abgeschlossene Kammer 42 gebildet.
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Die der Kammer 42, also dem Ofeninnenraum zugewandte Seite des Materials 40 wird anschließend stark erhitzt, beispielsweise befeuert, sodass das Material auf dieser Seite aufgrund der starken Hitzeeinwirkung reagiert ggf. verbrennt und sich ausdehnt (2b). Da das Material 40 die Kammer 42 nach außen hin gewissermaßen abschottet, können dabei die Brandschutzeigenschaften bzw. die Isolationseigenschaften der Materialprobe getestet werden.
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Nach erfolgtem Brandtest wird die Festigkeit der dem Feuer bzw. der Hitzequelle ausgesetzten Seite des Materials 40 untersucht. Dazu wird das Widerstandselement 20 der Vorrichtung 10 in die Aussparungen 36 eingeklappt, sodass der Schaft 12 der Vorrichtung 10 einen möglichst geringen Querschnitt hat. Anschließend wird der Schaft 12 durch das Material 40 gestoßen, bis sich das Widerstandselement 20 auf der Rückseite des Materials 40, also der der Hitze zugewandten Seite des Materials 40 befindet (2c).
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Anschließend wird das Widerstandselement 20 ausgeklappt, an die Rückseite des Materials 40 angelegt und entgegen der Einschubrichtung E auf Zug belastet und die Zugkraft entgegen der Einschubrichtung E bis zur Zerstörung der Probe, also dem Herausziehen des Widerstandselements aus dem Material 40 belastet, wobei durch die Messeinheit die dazu benötigte Kraft gemessen wird (2d).
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Alternativ kann vor dem Versuch eine maximale Kraft festgelegt werden, der das Material 40 ausgesetzt werden soll bzw. der die Materialprobe widerstehen muss. Die Messeinheit 22 kann in diesem Fall eine Kraftbegrenzungseinrichtung aufweisen, die bei Erreichen der maximalen Kraft den Kraftschluss zwischen Griff 16 und Schaft 12 bzw. Widerstandselement 20 entkoppelt, sodass keine Zerstörung des Materials 40 erfolgt.
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Um einen Vergleich mit dem nicht erhitzten Material 40 zu ermöglichen, wird dieser Versuch vor Beginn des Brandtests an der nicht erhitzten Probe durchgeführt (2a).
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Es ist auch denkbar, dass der Schaft 12 bzw. die gesamte Vorrichtung 10 nach dieser Referenzmessung im Material 40 verbleibt, um eine Schädigung bzw. eine Beeinflussung der Materialprobe nach erfolgtem Brandtest zu minimieren. Bei einer solchen Versuchsdurchführung ist es aber erforderlich, dass zumindest der Schaft 12 aus einem nicht oder schlecht wärmeleitenden Material hergestellt ist, um eine Wärmeübertragung auf den Griff 16 bzw. die Messeinheit 22 zu verhindern.
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Alternativ könnte der Griff 16 bzw. die Messeinheit 22 vom Schaft 12 getrennt werden und erst nach erfolgtem Brandtest wieder an diesem befestigt werden.
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Statt eines Schirmes sind auch andere ausklappbare Widerstandselemente 20 denkbar. Es sollte lediglich darauf geachtet werden, dass diese Widerstandselemente 20 in ausgeklapptem Zustand eine möglichst große, ebene Fläche bilden, um die Materialprobe 40 auf einer möglichst großen Fläche zu belasten, wodurch Messungenauigkeiten aufgrund von Materialfehlern reduziert werden können.
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Anstatt von klappbaren Armen können auch aus dem Schaft ausfahrbare Elemente vorgesehen sein, zum Beispiel flexible Arme, die sich nach Austritt aus Führungskanälen am Schaft seitlich nach außen abspreizen.
