Brandsimulator der ETH: Im Ofen simulieren, was passiert, wenn es brennt
Der Holzbau boomt. Häuser aus Holz werden immer höher. An der ETH gibt es seit kurzem einen speziellen Ofen, mit dem sich Brandfälle simulieren lassen und mit dem erforscht werden kann, wie sich Holzstrukturen im Brandfall verhalten.
Quelle: ETH Zürich / Michael Steiner
Der neue Brandsimulator an der ETH Zürich kostete rund 2,5 Millionen Franken.
Quelle: ETH Zürich / Michael Steiner
Befeuert wird der Ofen von zehn Gasbrennern.
Quelle: ETH Zürich / Michael Steiner
Der Temperaturverlauf während des Tests und der Sauerstoffgehalt in der Brennkammer können präzise programmiert werden.
Quelle: ETH Zürich / Michael Steiner
Nach 90 Minuten wird das Holzbauelement aus dem Ofen genommen und gelöscht,
Quelle: ETH Zürich / Michael Steiner
Pro Stunden wandeln sich rund 4 Zentimeter eines Balkens in Holzkohle um. Das Forschungsteam prüft hier die Tragfähigkeit des Balkens nach der Brandsimulation.
Quelle: ETH Zürich / Michael Steiner
Der neue Brandsimulator an der ETH Zürich kostete rund 2,5 Millionen Franken.
Zurzeit werden in Regensdorf, Zug, Winterthur und Zürich Holzhochhäuser mit einer Höhe von 75 bis 108 Metern geplant oder aktuell gebaut. Doch wie wirkt sich ein Brand auf die Bestandteile solcher Bauten aus? Schliesslich laufen Hausbrände nicht immer gleich ab. Der brennbare Stoff fängt Feuer, die Temperatur nimmt zu, der Brand wächst und breitet sich aus. Das vorhandene Raumvolumen, die Brandlast, die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration im Brandraum beeinflussen den Verlauf.
Seit kurzem kann in der Heizzentrale des Campus Hönggerberg der ETH mit einem speziell entwickelten Ofen realistisch simuliert werden, wie sich Holzstrukturen in spezifischen Brandfällen verhalten. Der Ofen besteht aus einem Stahlträger verstärkten Metallkubus mit einer Brennkammer. Sie ist einen Meter hoch, einen Meter breit und knapp 1,7 Meter lang. Befeuert wird sie von zehn Gasbrennern, die je hälftig auf den beiden Längsseiten angebracht sind. Sie können den Ofen auf über 1'400 Grad aufheizen. Mehrere ausserhalb der Brennkammer angebrachte Kameras zeichnen die Tests auf, zudem kann auch die Zusammensetzung der Brandgase lässt analysiert werden.
«Wir können die Temperatur im Ofen und ebenso den Sauerstoffgehalt genau einstellen», erklärt Andrea Frangi, Professor für Holzbau an der ETH. Ausserdem können die Holzbauteile oder andere gängige Baumaterialien während der Tests mit bis zu 50 Tonnen belastet werden. Er hat die Beschaffung des Brandsimulators initiiert und auch dessen Spezifikationen mitbestimmt.
Nur Gebäude mit ein bis zwei Stockwerken erlaubt
In der Schweiz waren bis 2004 lediglich ein- bis zweistöckige Gebäude mit einer Tragstruktur aus Holz erlaubt. Ab 2005 lag die Grenze bei sechs Stockwerken und seit 2015 gibt es faktisch keine Obergrenze mehr. «Bei den geplanten Hochhäusern handelt es sich sicher um Leuchtturmprojekte», sagt Frangi. «Aber bei mittelhohen Bauten hat sich Holz als Baumaterial längst etabliert und überzeugt durch ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, Nachhaltigkeit und Sicherheit».
Denn während sich Stahlträger im Brandfall verformen können und dadurch instabil werden, können Holzkonstruktionen länger ihre strukturelle Integrität behalten. Im Wesentlichen wird die Tragfähigkeit eines Holzbalkens im Brandfall von seiner Grösse bestimmt. Brennt der Balken, werden auf den Seiten, die dem Feuer ausgesetzt sind, pro Stunde rund vier Zentimeter des Holzes zu Holzkohle. «Mögliche Schwachstellen sind Verbindungselemente und konstruktive Details.»
Um die Einsatzmöglichkeiten des modernen Holzbaus zu erweitern, will Frangi mit seinem Team das Abbrandverhalten von Holzbauteilen und Verbindungen unter realistischen Bedingungen weiter erforschen. «Der Bausektor verursacht einen grossen Teil der klimaschädlichen Emissionen», sagt Frangi. «Mit unserer Forschung können wir dazu beitragen, dass noch mehr der nachwachsenden und CO2-speichernden Ressource Holz als Baumaterial verwendet wird.» (mgt/mai)
Hier geht es zum Originalartikel der ETH https://ethz.ch
Video der ETH zum Projekt.
