Mehrgeschossige Holzgebäude im Brandversuch: Forschungsvorhaben TIMpuls

Die hierzu erforderlichen Grundlagen zur Fortschreibung bauaufsichtlicher Brandschutzregelungen für die erweiterte Anwendung des Holzbaus wurden auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen erarbeitet. TIMpuls ist ein Verbundforschungsvorhaben der Technischen Universität München, Technischen Universität Braunschweig, Hochschule Magdeburg-Stendal und des Instituts für Brand- und Katastrophenschutz Heyrothsberge. Für die bauordnungsrechtliche Anwendbarkeit der Holzbauweise bis zur Hochhausgrenze wurden darin verschiedene Strategien zum Nachweis der Erfüllung des brandschutztechnischen Sicherheitsniveaus verfolgt.

Einhergehend mit dem erweiterten Einsatz der Holzbauweise, war nachzuweisen, dass durch die zusätzliche Brandlast aus der tragenden und aussteifenden Gebäudestruktur das bauaufsichtlich geforderte Sicherheitsniveau im Hinblick auf den Brandschutz nicht bzw. allenfalls nur auf ein gesellschaftlich akzeptierbares Niveau gesenkt wird. Eine Form des Nachweises kann über die Gleichwertigkeit der Holzbauweise gegenüber den konventionellen, nicht brennbaren Bauweisen (Stahlbeton, Mauerwerk usw.) erbracht werden.

Hierbei wurden unterschiedliche Aspekte und Lösungswege verfolgt, wie der Nachweis über eine Naturbrandbemessung, das Selbstverlöschen von Bauteilen, die brandschutztechnische Bekleidung „Kapselung“ der Bauteile i.d.R. mittels Gipsplatten und die Bewertung der Leistungsfähigkeit der abwehrenden (Feuerwehr) und anlagentechnischen Maßnahmen. Innerhalb der themenbezogenen Risikobetrachtung wurden so alle beeinflussenden Parameter des vorbeugenden und abwehrenden Brandschutzes berücksichtigt und ganzheitliche Maßnahmen für sichere mehrgeschossige Konstruktionen in Holzbauweise erarbeitet.

Das Ziel war die Bereitstellung eines vollständigen, wissenschaftlich begründbaren Konzepts, um die Verwendbarkeit von Holzbaukonstruktionen in mehrgeschossigen Gebäuden, auch unter teilweiser Verwendung sichtbarer Bauteiloberflächen, bis zur Hochhausgrenze in ganz Deutschland geregelt zu ermöglichen.

Ablauf

Das Forschungsvorhaben TIMpuls hatte eine Laufzeit von dreieinhalb Jahren (August 2017 bis März 2021). Im Rahmen dieser Projektlaufzeit wurde eine Vielzahl an Themen und Fragestellungen untersucht. Nachfolgend werden auszugsweise einzelne zentrale Punkte aus [1] dargestellt.

Eine der Grundlagen zu Beginn war die Untersuchung der national sowie international bauordnungsrechtlichen Verwendbarkeit des Baustoffs Holz, welche aktuellen Regelungen und Richtlinien existieren und auf welche Thesen bzw. Untersuchungen diese zurückzuführen sind. Diese Ergebnisse dienten u. a. auch als Grundlage für die Erstellung eines Ratgebers [2] zum nationalen Stand der bauordnungsrechtlichen Verwendbarkeit des Baustoffs Holz.

Der Fokus der zu Beginn durchgeführten Kleinbrandversuche lag auf den Untersuchungen zum Abbrandverhalten von verschiedenen Holzarten, der Leistungsfähigkeit von Brandschutzbekleidungen und dem Nachbrandverhalten von ungeschützten und anfänglich geschützten Bauteilen aus Holz unter Naturbrandbeanspruchung. Für die Abbrandraten von Holz konnten die bisher bekannten normativen Werte unter Normbrandbeanspruchung im Wesentlichen bestätigt und ergänzt werden. Maßgebend für die Abbrandrate sind, neben Einflüssen wie dem Einwirkungsszenario der Brandbeanspruchung, die jeweilige Holzart, die Holzfeuchte und die damit einhergehenden Parameter. Insbesondere für die Holzart Esche zeigten sich größere Abweichungen zu den bis dato normierten Abbrandraten [1][3].

Im Konzept zum Ausschluss oder zur Reduktion des Abbrands kommen brandschutztechnisch wirksame Bekleidungen zur Anwendung. Grundsätzlich wurde hierzu festgestellt, dass bei einer Temperatur von ca. 270 °C sichtbare Verfärbungen, jedoch kein Entzünden der Holzkonstruktion, auftraten. Bei 90-minütiger Normbrandbeanspruchung wurde mit einer Kombination von 2 x 18 mm Gipskarton-Feuerschutz- bzw. Gipsfaserplatten ein Entzünden der Holzkonstruktion verhindert [1][3].

BRANDVERLAUF VON RAUMBRÄNDEN
Ein weiterer zentraler Baustein waren die experimentellen und numerischen Untersuchungen zum Brandverlauf von Raumbränden mit ungeschützten Holzoberflächen. Hierzu wurden in Braunschweig mittelmaßstäbliche Brandversuche im Room Corner-Versuchsstand nach ISO 9705-1 durchgeführt.

Es konnte festgestellt werden, dass sich durch die Anordnung der ungeschützten Holzoberflächen der Konstruktion eine schnellere Brandentwicklungsdauer bis zum Eintritt des Flash-over (Übergang in die Vollbrandphase) ergibt. Mit zunehmender Menge an ungeschützten Holzoberflächen und in Abhängigkeit von der Leistung der Brandquelle verkürzt sich die Dauer bis zum Eintritt des Flash-over. Zudem erhöht sich die Menge der aus der Öffnung schlagenden Flammen mit zunehmender ungeschützter Holzoberfläche, da die freigesetzten Pyrolysegase erst mit dem Sauerstoff außerhalb des Brandraums oxidieren können. Ein Selbstverlöschen nach Beendigung der direkten Brandeinwirkung zeigte sich bei allen Raumbrandversuchen mit einer ungeschützten Holzfläche (Decke oder eine Wand) und bei einzelnen Versuchen mit mehreren ungeschützten Holzflächen (jeweils Decke und eine Wand) [1][4][5].

Darauf aufbauend wurden Großbrandversuche zur Untersuchung von Raumbränden sowie zum Feuerwiderstandsverhalten von Holzbauteilen im Großmaßstab unter Beachtung von Element- und Bauteilanschlüssen in Braunschweig durchgeführt. Ziele waren hierbei

• die Analyse des Feuerwiderstandsverhalten von Holzbauteilen bei Naturbrandbeanspruchung, sowie 90-minütiger Normbrandbeanspruchung,
• die Ermittlung von Konstruktionen und Anschlüssen, die den Anforderungen der Gebäudeklasse 5 gerecht werden,
• die Bestätigung der zuvor genannten Room Corner Versuche zur Menge von ungeschützten Holzoberflächen im Großmaßstab,
• die Analyse zur Skalierbarkeit der Ergebnisse der Kleinbrandversuche zur Brandschutzbekleidung und zum Abbrandverhalten und
• die Verwendung der Messdaten für die numerischen Untersuchungen (CFD-/FEM – Modelle) [1].

BRANDGEFAHR DURCH ELEKTROINSTALLATIONEN
Weiter wurden auch Fragestellung wie beispielsweise die Brandgefahr durch Elektroinstallationen in modernen mehrgeschossigen Holzgebäuden experimentell untersucht. Hierbei lag der Fokus insbesondere auf der Verwendung von Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen. Im Rahmen der Untersuchung konnte nachgewiesen werden, dass das Risiko eines Auftretens von Elektrobränden innerhalb der Konstruktion gering ist, die vorhandenen Schutzeinrichtungen eines Hausanschlusses einen Teil möglicher Defekte bereits abdecken und bei allen durchgeführten Versuchen ein Selbstverlöschen innerhalb der Holztafelbaukonstruktion bei Vorhandensein von nichtbrennbaren Dämmstoffen auftrat [1][6].

EINFLUSS AUF DIE FEUERWEHR
Der Einfluss eines vermehrten Einsatzes von Holz für das mehrgeschossige Bauen auf die Feuerwehr war ebenfalls Teil dieses Vorhabens. So bestätige u. a. die Auswertung einer Befragung der deutschen Feuerwehren eine grundsätzlich positive Haltung gegenüber dem Holzbau, führte aber gleichzeitig den nachdrücklichen Wunsch nach einer breiten Ausbildung mit Fokus auf die Feuerwehren in diesem Themenfeld auf [1][7]. Dies soll nur einen Auszug aus den Erkenntnissen im Rahmen des Forschungsvorhabens sein. Alle diese Untersuchungen im kleinen, mittleren oder Großmaßstab lieferten wichtige Erkenntnisse und stellten die Basis für die abschließenden Realbrandversuche dar, die als Beleg der innerhalb des Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse dienen.

Abschließende Realbrandversuche

Die Realbrandversuche dienten zum Beleg der innerhalb des Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse und als Grundlage zum Nachweis der bauordnungsrechtlichen Schutzziele, wie die Tragfähigkeit, der Raumabschluss, das Selbstverlöschen bzw. die Löschbarkeit der Konstruktionen durch die Feuerwehr (Nachbrandverhalten) sowie die Begrenzung der Brandausbreitung. Untersucht werden Raumbrände in Holzkonstruktionen mit einer bautypischen Ausführung. Besonders die Variation zwischen ungeschützten, anfänglich geschützten und vollständig geschützten Holzoberflächen ist hierbei von hoher praxisrelevanter Bedeutung.

Konkrete Untersuchungsziele waren hierbei:

• Beleg der Ergebnisse der vorherigen, im Bauteilmaßstab durchgeführten Versuche im „realen Versuchsbauwerk“ unter Naturbrandbedingungen
• Einfluss brennbarer Bauteiloberfläche auf den Brandverlauf
• Verhalten der Brandschutzbekleidung und deren Schutzzeiten unter Naturbrandbeanspruchung
• Verhalten bzgl. Selbstverlöschen und Nachbrandverhalten von Holzkonstruktionen
• Löschbarkeit der praxisüblichen Konstruktionen im Holzbau
• Analyse der Brandweiterleitung über die Fassade in das Geschoss über dem Brandgeschoss durch brennbare Oberflächen im Raum
• Untersuchung der Auswirkungen von brandschutztechnischen Schutzmaßnahmen im Stoß- und Fügungsbereich von Bauteilen
• Bewertung der Standsicherheit unter Naturbrandbeanspruchung
• Bewertung des Raumabschlusses (Feuer und Rauch, Wärmedämmung) unter Naturbrandbeanspruchung

Zusammenfassend sollte unter realen Bedingungen untersucht werden, wie ein Vollbrand in mehrgeschossigen Holzgebäuden verläuft (Abb. 1). Im Rahmen der Versuche wurden daher umfangreiche Messdaten (Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Gewichtsverlust der mobilen Brandlast und Bauteile usw.) aufgezeichnet, die ausgewertet ein klareres Bild davon geben, wie sich die Gesamtkonstruktion im Brandfall und während des Löschvorgangs verhält. Letzteres nahm auch bei diesen Versuchen einen großen Stellenwert ein. Hierdurch sollte eine gesamtheitliche Betrachtung von Bränden in Holzgebäude ermöglicht werden, da von der Entstehung bis zur Brandbekämpfung durch die Feuerwehr alle Phasen eines realistischen Brandereignisses eingeschlossen sind.

Beschreibung der Versuche

Der erste Versuch dient als Referenzversuch und soll durch die massive Brandschutzbekleidung aller Bauteile ein nichtbrennbares Gebäude, z.B. aus Mauerwerk bzw. Stahlbeton, darstellen. Bei den weiteren vier Versuchen sind unterschiedliche Kombinationen von Holzkonstruktionen, wie Brettsperrholz (BSP), Brettschichtholz (BSH) und Holztafelbauweise (HTB) jeweils in Verbindung mit Gipskarton-Feuerschutz- (GKF) oder Gipsfaserplatten (GF) bzw. ungeschützt im Einsatz, vgl. untenstehende Tabelle.

Das Innenmaß der Versuchsraumgrundfläche betrug bei drei kleineren Versuchen 4,5 × 4,5 m² (Abb. 3) und bei zwei großen Versuchen 4,5 × 9 m² (Abb. 4). Dadurch entstand ein geometrisches Verhältnis von 1: 2 für die Grundfläche, den Wandabstand und das Volumen, wodurch der räumliche Einfluss auf den Brandverlauf beobachtet werden konnte. Um bautypische Raumhöhen abzubilden, betrug das Innenmaß der Versuchsräume ca. 2,4 m.

Alle Raumkonstellationen bzw. Versuchsdurchgänge verfügten über eine Fensteröffnung. Die Öffnung betrug 2,4 × 2,2 m² (bxh) im kleinen Raum und 4,2 × 2,2 m² (bxh) im großen Raum. Das „Fenster“ war von Beginn an geöffnet. Dies diente der Vergleichbarkeit zwischen den Realbrandversuchen und den vorher gelaufenen kleinmaßstäbigen Grundlagenversuchen.

Die Auswahl der Wand- und Deckenkonstruktionen sollte die baupraktischen Ausführungen im Holzbau widerspiegeln und gleichzeitig die bauordnungsrechtlich gewünschten Veränderungen mit betrachten.

Die Bauteilanschlüsse (Wand-Decke und Wand-Wand) sowie die Elementstöße erfolgten nach typischen baupraktischen Vorgaben (inkl. Fugenspalte von bis zu 20 mm) und nach den Erkenntnissen aus [9]. Dementsprechend können später für die bauordnungsrechtlichen Empfehlungen die zu erwartenden Toleranzen der Bauausführung und Gebrauchszustände mitberücksichtigt werden.

Für die Versuche wurde eine Brandlastdichte für die Nutzung „Wohnraum“ gewählt. Die Brandlast wurde in Form von Holzkrippen in den Versuchen ausgeführt, vgl. Bild 5. Diese Holzkrippen simulieren die Möbel und Einrichtungen innerhalb der Wohnung. Die beschriebene Brandlast entsprach ca. 74 kg/m² Holz, also in Summe ca. 1,5 t, im kleinen Raum (4,5 × 4,5 m²) und ca. 3 t Holz im großen Raum (4,5 × 9 m²). Mit Blick auf die sehr hoch angesetzte Brandlast lassen sich die durchgeführten Versuche als in ihrer Form einzigartig definieren.

Fazit und Zusammenfassung

Die abschließenden Realbrandversuche dienten als „Beleg“ der innerhalb des Forschungsvorhabens TIMpuls gewonnenen Erkenntnisse für mehrgeschossige Holzgebäude. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus Klein- und Großbrandversuchen, sollten diese Realbrandversuche – im Vorhaben Belegversuche genannt – zum Ende des Vorhabens die Ergebnisse abschließend unter realen Randbedingungen und natürlichen Brandlasten nachweisen. Dabei wurden bautypische, im mehrgeschossigen Holzbau übliche Kombinationen aus verschiedenen Konstruktionsformen (z.B. Brettsperrholz, Brettschichtholz und Holztafelbau) untersucht. Es wurden sowohl Decken und Wände mit bekleideten als auch mit sichtbaren Holzoberflächen berücksichtigt. Die Versuche sollten für alle Interessenvertreter ein klareres Bild liefern, wie sich die gesamte Holzkonstruktion im Brandfall und während des Löschvorgangs durch die Feuerwehr verhält. Dies unter ganz realen Bedingungen, also praxisnah, so wie es am Ende wirklich brennt. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde die bauordnungsrechtliche Öffnung der Gebäudeklasse 4 und 5 für den mehrgeschossigen Holzbau bekräftigt:

• Das Vorhandensein zusätzlicher immobiler Brandlast führt bei einem Brand zu einer zusätzlichen Einwirkung auf die Fassade [1][8].
• Wirksame Löscharbeiten waren bei allen Versuchen und Konstruktionen zielführend und ohne besondere Maßnahmen möglich [1].
• Die Stoß- und Fügungsbereiche von Bauteilen und Elementen erzielten unter Naturbrandbeanspruchung raumabschließende Wirkung und verhinderten eine Übertragung von Feuer und Rauch wirkungsvoll. Die in [9] dargelegten Prinzipien zur Ausbildung von Bauteilanschlüssen und Elementfugen konnten im Rahmen der TIMpuls-Brandversuche im Realmaßstab bestätigt werden. Diese Maßnahmen wurden in Baden-Württemberg bereits als Technische Baubestimmung eingeführt [7]. Für weitere Informationen zur praxisgerechten Anwendung der Prinzipien wird auf die frei downloadbare Informationsdienst Holz Broschüre „Leitdetails für Bauteilanschlüsse in den Gebäudeklassen 4 und 5“ verwiesen [9].
• Die aktuelle Nichtberücksichtigung der Holztafel-/Holzrahmenbauweise in der Gebäudeklasse 5 ist mit Blick auf die Ergebnisse des Forschungsvorhabens TIMpuls [1] aus brandschutztechnischer Sicht nicht weiter begründbar. Es bestehen keine Bedenken, entsprechende Bauteile und Anschlüsse für einen Feuerwiderstand von 90 Minuten auszubilden, sofern die Ausführungsregeln der MHolzBauRL [11] adaptiv für die Gebäudeklasse 5 bis zur Hochhausgrenze in gleicher Weise übernommen werden. Basierend auf den durchgeführten Versuchen war ebenso ersichtlich, dass Anschlüsse im Holztafelbau und Massivholzanschlüsse prinzipiell gleichwertig angesehen werden können. Entsprechend brandschutztechnisch sichere Anschlüsse können somit auch für den Holztafelbau erreicht werden.

Quellen/Literatur

[1] Engel, T.; Brunkhorst, S.; Steeger, F.; Butscher, D.; Kurzer, C.; Werther, N.; Winter, S.; Zehfuß, J.; Kampmeier, B.; Neske, M. (2022): Schlussbericht zum Verbundvorhaben TIMpuls – Brandschutztechnische Grundlagenuntersuchung zur Fortschreibung bauaufsichtlicher Regelungen im Hinblick auf eine erweiterte Anwendung des Holzbaus. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe; Gülzow-Prüzen https://doi. org/10.14459/2022md1661419
[2] Engel, T.; Lechner, M. (2020): Baurechtskonformes Planen und Bauen mit Holz – Verwendbarkeitsnachweise und technische Regeln für den Brandfall im Holzbau. Version 1 März 2020; Technische Universität München. https://doi. org/10.14459/2020md1543153
[3] Engel, T.; Brunkhorst, S.; Steeger, F.; Winter, S.; Zehfuß, J.; Kampmeier, B.; Werther, N. (2020): TIMpuls Grundlagenforschung zum Brandschutz im Holzbau – Abbrandraten, Schutzzeiten von Bekleidungen und Nachbrandverhalten von Holz. Bautechnik. https://doi.org/10.1002/ bate.202000043
[4] Winter, S., Zehfuß, J.; Engel, T.; Brunkhorst, S., Werther, N. (2019): Brandschutztechnische Grundlagen untersuchung für eine erweiterte Anwendung des Holzbaus. In: Tagungsband der Braunschweiger Brandschutz-Tage vom 25.–26. September 2019 in Braunschweig.
[5] Brunkhorst, S.; Zehfuß, J. (2020): Experimental and Numerical Analysis of Fire Development in Compartment Fires with Immobile Fire Load. International Scientific Conference on Woods & Fire Safety. https://doi.org/10.1007/978-3-030- 41235-7_28
[6] Engel, T.; Moosmüller, K.; Werther, N. (2020): Brandgefahr durch Elektroinstallationen in modernen mehrgeschossigen Holzgebäuden. Bautechnik. https://doi.org/10.1002/ bate.202000076
[7] Engel, T.; Butscher, D. (2019): Fortschreibung bauaufsichtlicher Regelungen für das Bauen mit Holz; BRANDSchutz/Deutsche FeuerwehrZeitung; Ausgabe 5/2019
[8] Engel, T., Werther, N.: Impact of Mass Timber Compartment Fires on Façade Fire Exposure. Fire Technol 59, 517–558 (2023). https://doi. org/10.1007/s10694-022-01346-8
[9] Dederich, L.; Rüther, N.; Sudhoff, P.; Kampmeier, B.; Suttner, E. Werther, N.; Winter, S. (2021): Leitdetails für Bauteilanschlüsse in den Gebäudeklassen 4 und 5; Informationsdienst Holz.
[10] Ministerium für Landesentwicklung und Wohnen Baden-Württemberg, Verwaltungsvorschrift des Ministeriums für Landesentwicklung und Wohnen über Technische Baubestimmungen (Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen – VwV TB) vom 12. Dezember 2022.
[11] Fachkommission Bauaufsicht der Bauministerkonferenz (2021) Muster-Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen an Bau teile und Außenwandbekleidungen in Holzbauweise (MHolzBauRL). Fassung Oktober 2020. Ausgabe 4, 21.06.2021.

Der Autor

Thomas Engel, M.Sc.
ist Bauingenieur und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion an der Technischen Universität München. Er betreut Forschungsvorhaben und Vorlesungen im Fachbereich Brandschutz und ist u.a. Projektleiter der Verbundforschungsvorhaben TIMpuls (www.timpuls.tum.de) und FireSafeGreen (www. firesafegreen.de). Er war mehrere Jahre für renommierte Brandschutzingenieurbüros tätig und führt inzwischen die Brandschutz-Engel GmbH und die KET Fire GmbH. Thomas Engel ist darüber hinaus Kommandant einer Abteilung der Freiwilligen Feuerwehr München.
www.cee.ed.tum.de