Methode zur experimentellen Ermittlung von Verbrennungseffizienzen fester und flüssiger Stoffe und deren Auswirkung auf Bauteiltemperaturen

Abstract

Die Verbrennungseffizienz bewertet quantitativ das Brandverhalten von Brennstoffen und wird aus dem Quotienten von effektiver Verbrennungswärme und dem Heizwert berechnet. Der Heizwert beschreibt die gesamte Energiemenge in einem Stoff, abzüglich der Verdampfungsenthalpie des bei der Verbrennung freiwerdenden Wassers. Demgegenüber charakterisiert die effektive Verbrennungswärme die tatsächlich freigesetzte Energiemenge bei einem natürlichen Brand. Bei der vollständigen Verbrennung eines Brennstoffes korreliert die effektive Verbrennungswärme mit dem Heizwert, und eine Verbrennungseffizienz von 1 wird dem Brennstoff zugeordnet. Je unvollständiger ein Brennstoff verbrennt, desto mehr nähert sich die Verbrennungseffizienz dem Wert 0 an. Die Verbrennungseffizienz unterliegt dem Einfluss durch Versuchsbedingungen. Die verwendete Versuchsapparatur und die Probenbeschaffenheit haben somit Unsicherheiten bei der Bestimmung von Verbrennungseffizienzen zur Folge. Ein standardisiertes Bestimmungsverfahren existiert nicht. Dennoch findet die Verbrennungseffizienz als Berechnungsparameter bei der sogenannten Heißbemessung von Bauteilen bzw. Tragwerken gemäß Eurocode 1 Anwendung. Vor dem Hintergrund dieses Sachverhaltes ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Entwicklung einer Bestimmungsmethode für Verbrennungseffizienzen, mit der reproduzierbare Werte ermittelt werden können, soweit dieses im Rahmen der Zulässigkeit durch die Versuchsbedingungen möglich ist. Die Bestimmungsmethode wird als „Methode der Vollbrandphase“ bezeichnet, da sie die Ermittlung der Verbrennungseffizienz für den Zeitbereich der Vollbrandphase ermöglicht. Entgegen den anderen Brandphasen charakterisiert die Vollbrandphase jenen Zeitbereich eines Brandes, der durch eine hohe und gleichmäßige Massenverlustrate gekennzeichnet ist. Durch diese Eigenschaft soll der Einfluss durch die Versuchsbedingungen reduziert und die Reproduzierbarkeit gewährleistet werden. Zur Bewertung der „Methode der Vollbrandphase“ wurden in dem ersten Teil der Arbeit Experimente im Cone Calorimeter und im Single Burning Item Test durchgeführt. Unter Anwendung der Sauerstoffverbrauchsmethode wurden dabei die Wärmefreisetzungs- und die Massenverlustraten von sechs festen Baustoffen und vier flüssigen Lagerstoffen ermittelt. Anhand der Ergebnisse wurde zunächst festgestellt, inwieweit unter Anwendung der „Methode der Vollbrandphase“ der Zeitbereich der Vollbrandphase identifiziert und von den anderen Brandphasen abgegrenzt werden kann. Es stellte sich heraus, dass dieses für die meisten der ausgewählten Brennstoffe zuverlässig gelingt. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden für alle Brennstoffe die Verbrennungseffizienzen für den Zeitbereich der Vollbrandphase berechnet. Um eine Aussage bezüglich der Reproduzierbarkeit dieser Werte treffen zu können, wurden die Ergebnisse einem Vergleich mit Verbrennungseffizienzen von zwei weiteren Bestimmungsmethoden unterzogen. Die weiteren Methoden zeichnen sich dadurch aus, dass sie andere Zeitbereiche eines Versuches betrachten. Der Vergleich ergab, dass die Werte der meisten Brennstoffe bei Anwendung der „Methode der Vollbrandphase“ am besten reproduziert werden können und die Verbrennung während der Vollbrandphase tatsächlich einem geringen Einfluss durch die Versuchsbedingungen unterliegt als während der anderen Brandphasen. In dem zweiten Teil der Arbeit wurde die Auswirkung der Unsicherheiten bei der Bestimmung von Verbrennungseffizienzen auf die Heißbemessung von Bauteilen bzw. Tragwerken nach Eurocode 1 untersucht. Hierfür wurden acht Bemessungsbrände erstellt, bei deren Berechnung drei experimentell ermittelte Verbrennungseffizienzen von Fichtenholz sowie die maximale Verbrennungseffizienz als Eingangsparameter Anwendung fanden. Zudem wurde bei vier der acht Bemessungsbrände von dem Berechnungsverfahren nach Eurocode 1 abgewichen, indem anstelle eines Tabellenwertes für die flächenbezogene Wärmefreisetzungsrate experimentell ermittelte Werte verwendet wurden. Durch diese Parametervariation wiesen die acht Bemessungsbrände unterschiedliche Verläufe der Wärmefreisetzungsraten auf. Diese Wärmefreisetzungsraten wurden als Eingangsparameter in dem numerischen FDS-Modell, das einen Brandraum der Größe des Room Corner Tests darstellte, angewendet. Die Analyse der Temperatur- Zeit-Verläufe in einem Deckenbauteil zeigte, dass sich Unsicherheiten bei der Ermittlung der Verbrennungseffizienz auf die thermische Einwirkung auf ein Bauteil auswirken können.

The combustion efficiency quantitatively assesses the burning behavior of materials and can be determined by dividing the effective heat of combustion by the net calorific value. The net calorific value considers the total amount of energy stored in a material. In contrast, the effective heat of combustion defines the amount of energy that is released during a natural fire. In case of a complete combustion the effective heat of combustion equals the net calorific value, resulting in a combustion efficiency of 1. The less completely the combustion occurs, the lower the combustion efficiency. The combustion efficiency is a parameter which is influenced by test conditions. In experimental investigations test conditions are related to the test apparatus and the properties of the samples. The properness of the combustion efficiency is affected by uncertainties connected to the test conditions. A standardized determination procedure has not emerged yet. Nevertheless, the combustion efficiency is already applied in the fire safety design of building components and structures according to the Eurocode 1. Based on these issues, the objective of this work is to develop a determination procedure for combustion efficiencies. The originality of this procedure lies in the fact that the determined combustion efficiencies are highly reproducible. The determination procedure is called fully-developed-fire-method. This method is characterized by the fact that the calculation of the combustion efficiency happens for a period of time where a fully-developed fire takes place. In contrast to the fire growth stage and the decay stage, the fully-developed stage is characterized by a high and steady mass loss rate. Due to this, the exclusive consideration of the fully-developed stage negates the influence of test conditions and allows a high reproducibility of the combustion efficiency determination. To assess the applicability of the fully-developed-fire-method, experiments were performed using a cone calorimeter and a single burning item test apparatus. In these experiments the heat release rate and the mass loss rate of six solid materials and four liquids were measured by the oxygen consumption method. The results were used to investigate if the fully-developed-fire-method can be applied to correctly separate the fullydeveloped stage from the other stages. It can be concluded that the method works well with most of the chosen materials. Based on these findings, the combustion efficiency of each material in this work was calculated by the fully-developed-fire-method. To assess the reproducibility of these values, a comparison to two other methods was performed. These methods consider different periods of time during the combustion. The comparison showed for most of the materials that the values of the fully-developed-fire-method were in good agreement. The comparison also showed that there is the lowest influence of the combustion during the fully-developed-fire-method. In the second part of this work the influence of uncertainties in the determination of combustion efficiencies on the fire safety design of building components and structures was analyzed. Therefore, eight design fires were set up by applying different combustion efficiencies of spruce wood. Furthermore, four of the eight design fires were altered from the standard calculation method of the Eurocode 1. Instead of using the table values for the area related heat release rate, experimentally determined values were used. Due to the variation of those parameters, the eight design fires behaved differently regarding the heat release rate. The different heat release rates were used as input parameters in the numerical FDS-Model, which had a similar size to the room corner test. Following the temperature-time curves were investigated. It was found out, that uncertainties in the determination of the combustion efficiency have an influence on the stress of building components.