Von Dipl. Ing. Michaela Störkmann, Armacell Manager Technical Department Europe
Münster, 15. Juli 2013 - Um Passagieren und Personal in Schienenfahrzeugen eine schnelle und sichere Flucht- und Rettungsmöglichkeit zu gewährleisten, kann eine geringe Rauchdichte im Brandfall lebensentscheidend sein. Dieser Tatsache trägt die neue europäische Norm EN 45545-2 Rechnung und verschärft die Anforderungen an das Brandverhalten von Materialien und Komponenten. In vielen Zügen dürfen zukünftig nur noch technische Dämmstoffe mit der Gefährdungsstufe (Hazard Level) HL2 eingesetzt werden. Mit ArmaFlex Rail SD bietet Armacell den ersten hochflexiblen geschlossenzelligen Dämmstoff für Installationen auf Kälte- und Klimaanlagen, der den erhöhten Brandschutzanforderungen im Schienenfahrzeugbau gerecht wird.
Kunststoffe wie moderne Faserverbundwerkstoffe ersetzen im Schienenfahrzeugbau zunehmend herkömmliche Stahl- oder Aluminiumkonstruktionen. Sie erlauben nicht nur eine erhebliche Gewichtsreduktion und den energieeffizienten Betrieb der Züge, sie sind zudem korrosionsfrei und können problemlos in komplexe Formen gegossen werden. Zur Dämmung von Klima- und Lüftungsanlageteilen haben sich Dämmstoffe auf Basis synthetischen Kautschuks (FEF: Flexible Elastomeric Foam) seit Jahrzehnten bewährt. Der Klimatisierung kommt in der Schienenfahrzeugtechnik eine hohe Bedeutung zu. Aufgrund der höheren Außentemperaturen auch in mittel- und nordeuropäischen Ländern und dem gestiegenen Komfortanspruch der Fahrgäste ist eine moderne Klimatechnik heute im Schienenfahrzeugbau unverzichtbar. Abhängig vom Einsatzort der Züge können bis zu 30 Prozent des gesamten Energieverbrauchs auf die Klimatisierung des Fahrgastbereichs entfallen. Der Energieverbrauch lässt sich jedoch durch intelligente Klimasteuerungssysteme und eine effiziente Wärmedämmung der Fahrzeuge und Anlagetechnik erheblich drosseln. So lassen sich durch den Einsatz geeigneter technischer Dämmstoffe erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen erzielen.
Technische Dämmstoffe müssen vielfältige Anforderungen erfüllen
Technische Dämmstoffe müssen eine Vielzahl an Anforderungen erfüllen: Sie reduzieren Energieverluste und / oder Körperschallübertragung aus den Anlageteilen und verhindern die Bildung von Tauwasser auf den Oberflächen kaltgehender Rohrleitungen und Kanälen, die zur Durchfeuchtung des Dämmstoffs und angrenzender Bauteile führen könnte. Zu diesen funktionsrelevanten Anforderungen treten sicherheitsrelevante Anforderungen, wie eine ökologische Verträglichkeit, gesundheitliche Unbedenklichkeit und überprüftes Brandverhalten, die für die Produktauswahl ebenfalls entscheidend sind. Dämmstoffe auf Basis synthetischen Kautschuks besitzen sehr gute technische Eigenschaften: sie sind geschlossenzellig, verfügen über einen hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und schützen Installationen so langfristig zuverlässig vor Energieverlusten und dem Entstehen von Tauwasser. Anders als bei herkömmlichen Dämmstoffen, die mit einer separaten Dampfbremse vor dem Eindringen von Feuchtigkeit geschützt werden müssen, baut sich der Wasserdampfdiffusionswiderstand bei FEF-Produkten über die gesamte Dämmschichtdicke auf. Das liefert eine ungleich höhere Sicherheit, denn Diffusionsbarrieren offenzelliger Dämmstoffe bestehen in der Regel aus empfindlichen Aluminiumfolien, die während der Installation oder Wartung schnell beschädigt werden können und so einen unzulässigen Wassereintritt ermöglichen. Elastomere Dämmstoffe verhindern dagegen auch langfristig sicher Kondensationsprozesse. Dämmstoffe mit einer Microban® Ausrüstung bieten einen zusätzlichen Schutz vor gesundheitsschädlichen Mikroben wie Bakterien und Schimmelpilzbefall.
Neben den physikalisch-technischen Werten sind verarbeitungstechnische Gesichtspunkte bei der Beurteilung und Auswahl von technischen Dämmstoffen mindestens genauso wichtig. Je nach Komplexität der zu dämmenden Objekte werden unterschiedliche Anforderungen an den Dämmstoff gestellt. Dabei geht es insbesondere um den Verarbeitungsaufwand der Dämmsysteme und die Sicherheit der Installation. Die Dämmung muss sich auch unter schwierigen Bedingungen so ausführen lassen, dass die gesamte Konstruktion keine Schwachstellen aufweist.
Hier bieten elastomere Dämmstoffe enorme Vorteile für den Schienenfahrzeugbau: sie sind leichtgewichtig und hochflexibel – selbst extreme Radien stellen für die Dämmstoffe kein Problem dar. Elastomere Dämmplatten können quasi in jeder geforderten Dämmschichtdicke geliefert werden. Die homogene und dreidimensional vernetzte Struktur des elastomeren Materials erlaubt ein sauberes Schneiden der Platten, ohne dass gesundheitlich bedenkliche Emissionen durch Staub oder faserige Partikel entstehen, die eingeatmet werden könnten. Seine hohe Flexibilität ermöglicht eine einfache Anpassung, auch auf komplex gestalteten Anlageteilen. Durch den Einsatz selbstklebender Platten lassen sich die Montagezeiten weiter reduzieren.
Strenge Brandschutzanforderungen für Schienenfahrzeuge
Für Schienenfahrzeuge gelten strenge Brandschutzanforderungen. Noch gelten europaweit nationale Normen, die sich zum Teil stark voneinander unterscheiden, sowohl hinsichtlich der Prüfverfahren als auch in der Bewertung der Testergebnisse. Entscheidend für die Beurteilung des Brandverhaltens von synthetischen Dämmstoffen ist die Brandentstehungsphase. Eine grundlegende Darstellung zum „Brandverhalten von Kunststoffen“ findet sich bei Troitzsch [1].
Die charakteristischen Parameter für das Brandverhalten sind:
- Entzündung
- Flammenausbreitung
- Wärmefreisetzung (oder Temperaturanstieg)
- Rauchentwicklung
- Rauchgastoxizität
Zur Beurteilung und Bewertung des Brandverhaltens wurden genormte Brandprüfungen entwickelt, die die Situation der Brandgefährdung abbilden sollen. Da die Fluchtmöglichkeiten in Schienenfahrzeugen eingeschränkt sind, wird auch die Zusammensetzung der Brandgase als sicherheitsrelevant betrachtet.
Europäische Brandklassifizierung im Schienenfahrzeugbau
Während in Europa bislang eine Vielzahl unterschiedlicher nationaler Regelungen zur Beurteilung des Brandverhaltens von Werkstoffen und Bauteilen für den Schienenfahrzeugbau bestanden, gelten in den Mitgliedsstaaten der europäischen Union mit der Verabschiedung der EN 45545-2 (Bahnanwendungen - Brandschutz in Schienenfahrzeugen, Teil 2: Anforderungen an das Brandverhalten von Materialien und Komponenten), die im Juni 2013 in Kraft tritt, jetzt erstmals verbindlich einheitliche Prüfverfahren und eine europäische Brandklassifizierung für den europäischen Schienenfahrzeugbau.
Um die so genannte Interoperabilität im transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsverkehr sicherzustellen, initiierte die Europäische Kommission gemeinsam mit der Industrie 1997 das sogeannte Firestarr-Projekt, das die europäischen Normungsgremien CEN/TC256/WG1 und CENELEC/TC9X/WG3 in ihrer Arbeit unterstützen sollte und das in der Technischen Spezifikation DIN CEN/TS 45545 (2009-07) – dem Vorläufer der jetzt verabschiedeten Norm – mündete. Da in den europäischen Ländern bis dahin unterschiedliche Prüfverfahren und Zulassungskriterien galten, musste zunächst nach neuen Prüfverfahren gesucht werden.
Nach vielen Jahren der Vorarbeit wird die EN 45545, Teil 2 nun im Juni 2013 offiziell veröffentlicht und die nationalen Normen müssen spätestens im März 2016 zurückgezogen werden. In der Übergansphase gelten die nationalen Normen, wie die DIN 5510, BS 6853 etc. noch parallel zur neuen europäischen Verordnung.
Das übergeordnete Ziel der EN 45545 ist, das Risiko der Entstehung und Ausbreitung von Bränden in Schienenfahrzeugen zu minimieren und Fahrgäste sowie Zugpersonal vor den Folgen von Bränden zu schützen, um ein möglichst hohes Sicherheitsniveau in Zügen zu erreichen. Hierzu wurden im FireStarr Projekt zunächst vier unterschiedliche Arten von Schienenfahrzeugen (Bauartklassen A, D, S und N, siehe Abbildung 4) und vier Betriebsklassen (1 bis 4, siehe Abbildung 3) definiert und das Brandverhalten der verschiedenen Materialien und Komponenten untersucht.
Die Betriebs- und Bauartklassen bilden die Anforderungen der derzeitigen Betriebsbedingungen des öffentlichen Schienenverkehrs in Europa ab. Während die Bauartklassen die unterschiedlichen Fahrzeugarten (neben Standard- beispielsweise Doppelstockfahrzeuge oder Schlafwagen) widerspiegeln, werden in den Betriebsklassen die Einsatzbereiche der Züge definiert. Offensichtlich sind Fahrzeuge, die für den Einsatz in Tunneln gebaut wurden und für die Notfallstationen oder Bahnhöfe erst in längerer Fahrzeit erreichbar sind, einem höheren Sicherheitsrisiko im Brandfall ausgesetzt, als Züge, die nicht für unterirdische Abschnitte oder Erhöhungen geeignet sind.
Mit Teil 2 der EN 45545 sollen die Auswirkungen eines Brandes in Form von Wärme, Rauch und toxischen Gasen auf Fahrgäste oder Personal durch Spezifikation der in Schienenfahrzeugen eingesetzten Materialien minimiert werden. Das Brandverhalten von Materialien und Bauteilen hängt nicht nur von den spezifischen Materialeigenschaften ab, sondern auch von ihrem Einsatzbereich innerhalb der Konstruktion, der Form und Anordnung des Materials, der direkten exponierten Fläche und der relativen Masse und Dicke des Materials. Auf dieser Basis wurden die gelisteten Produkte klassifiziert und in Untergruppen differenziert:
- hinsichtlich ihres allgemeinen Einsatzbereichs (innerhalb oder außerhalb);
- hinsichtlich ihres speziellen Einsatzes (Möbel, elektrotechnische Einrichtungen, mechanische Einrichtungen).
Abhängig vom Einsatzort und des Brandrisikos wurden die Materialen in die Kategorien R1 bis R26 (R = Requirement Set, Anforderungsset) unterteilt. Die Betriebs- und Bauartklassen nach DIN EN 45545-1 werden verwendet, um die Gefährdungsstufen (HL=Hazard Level) zu ermitteln, nach denen sich die Anforderungen des Klassifizierungssystems richten. Insgesamt gibt es drei Gefährdungsstufen (HL1 bis HL3). HL3 ist die höchste Stufe und stellt entsprechend die höchsten Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe.
Anforderungen an das Brandverhalten brennbarer technischer Dämmstoffe
Technische Dämmstoffe werden in der EN 45545-2 unter IN1 (IN= Interiors, innerhalb gelegene Komponenten — horizontale, nach unten gerichtete Flächen; horizontale nach oben gerichtete Flächen; Flächen in Hohlräumen, Wände — senkrechte Flächen) gelistet und erfordern demnach das Requirement Set 1.
Die „Requirement Sets“ verlangen verschiedene Brandprüfungen und die Testergebnisse werden wiederum den Gefährdungsstufen HL1 bis HL3 zugeordnet.
Technische Dämmstoffe werden gemäß ihrer Klassifizierung als R1-Materialien nach ISO 5658-2 (Flammenausbreitung), ISO 5660-1 (Wärmefreisetzung, Rauchentwicklung und Masseverlustrate) und EN ISO 5659-2 (optische Rauchdichte und Rauchgastoxizität) geprüft.
Bei der Prüfung nach ISO 5658-2 wird die seitliche Flammenausbreitung an der vertikal ausgerichteten Probenoberfläche eines Materials unter der Beanspruchung mit einer Wärmestrahlung und einer Zündflamme getestet.
Die EN 45545-2 stellt an nahezu alle brennbaren Werkstoffe und Bauteile spezifische Anforderungen hinsichtlich ihrer Rauchdichte und der Toxizitätspotenzials der Rauchgase. Die Anforderungen richten sich nach der Gefährdungsstufe des Fahrzeugs. Das Bild 6 zeigt den Prüfaufbau nach EN ISO 5659-2.
In der Abbildung 5 werden die für die unterschiedlichen Gefährdungsstufen geforderten Testergebnisse für brennbarere technische Dämmstoffe dargestellt.
Elastomere Dämmstoffe mit geringer Rauchentwicklung
Wie alle organischen Produkte sind flexible elastomere Dämmstoffe brennbar. Um eine optimale Brandschutzausrüstung des Dämmstoffs zu erreichen, werden unterschiedliche Flammschutzmittel zugegeben. Flammschutzmittel sind Zuschlagstoffe, die durch physikalische und/oder chemische Wirkungsweise die Entflammbarkeit und Abbrandgeschwindigkeit herabsetzen, die Brennbarkeit der Stoffe selbst aber nicht aufheben. Bromierte Flammschutzmittel hemmen im Brandfall zwar sehr effektiv die Verbrennung, führen aber durch ihren Wirkmechanismus und ihre Wirkung gerade in der Gasphase zu einer recht starken Rauchentwicklung und erreichen die erforderlichen Gefährdungsstufen (Hazard Levels) nicht.
Durch einen völlig neuen Ansatz ist es Armacell jetzt gelungen, diesen Zielkonflikt zu lösen: Durch die Entwicklung neuartiger, intrinsisch flammwidriger Polymere und den Einsatz ablativer Schutzadditive kann auf die Zugabe von bromierten Flammschutzmitteln vollständig verzichtet werden. Damit verbindet die völlig neuartige Schaumqualität „ArmaFlex Rail SD“ erstmalig eine sehr hohe Flammwidrigkeit mit einer minimalen Rauchentwicklung. Der blaue Elastomerschaum erzielt die bislang mit flexiblen Dämmstoffen unerreichte Gefährdungsstufe HL2. Im Vergleich zu einem Standard Elastomerprodukt weist ArmaFlex Rail SD eine deutlich geringere Rauchentwicklung auf.
Fazit
Dass vom Rauch ein ungleich höheres Gefahrenpotenzial als vom Feuer selbst ausgeht, wurde von den Normenorganisationen erkannt und spiegelt sich in der neuen Brandklassifizierung für den europäischen Schienenfahrzeugbau wider. Die Anforderungen an die Rauchentwicklung und das Toxizitätspotenzial der Rauchgase werden im Zuge der Revision der EN 45545-2 jedoch voraussichtlich erneut verschärft werden. Im November 2012 hat das EU Forschungsprojekt TRANSFEU (Transport fire safety engineering in the European Union) nach einer Laufzeit von rund dreieinhalb Jahren seine Arbeit beendet und einen Abschlussbericht vorgelegt. Der Schwerpunkt des Projekts, das vom französischen Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) koordiniert und das von einem Konsortium aus Brandprüfanstalten, Forschungszentren, Bahnbetreibern, Normenorganisationen und weiteren Institutionen durchgeführt wurde, lag auf der Toxizität von Brandgasen in Zügen und Schiffen. Das von TRANSFEU entwickelte Konzept zur Prüfung und Beurteilung der Rauchgastoxizität der verschiedenen Materialien wird voraussichtlich im Rahmen ihrer Revision Eingang in die EN 45545-2 finden.
Armacell entwickelt seine Dämmstoffe für den Schienenfahrzeugbau kontinuierlich weiter, um auch den Anforderungen der Zukunft gerecht zu werden.
Literaturverzeichnis:
[1] Jürgen Troitzsch: Plastics Flammability Handbook - Principles, Regulations, Testing and Approval, 3rd Edition, Carl Hanser Verlag München 2004.
[2] DIN EN 45545-1:2010-04: Bahnanwendungen - Brandschutz in Schienenfahrzeugen - Teil 1: Allgemeine Regeln; Deutsche Fassung prEN 45545-1:2010.
[3] DIN EN 45545-2:2010-04: Bahnanwendungen - Brandschutz in Schienenfahrzeugen - Teil 2: Anforderungen an das Brandverhalten von Materialien und Komponenten; Deutsche Fassung prEN 45545-2:2010.
[4] ISO 5658-2:2006-09: Prüfungen zum Brandverhalten von Baustoffen - Flammenausbreitung - Teil 2: Seitliche Ausbreitung auf Bauprodukte in vertikaler Anordnung.
[5] ISO 5660-1:2002-12: Prüfungen zum Brandverhalten von Baustoffen - Wärmefreisetzung , Rauchentwicklung und Masseverlustrate - Teil 1: Wärmefreisetzungsrage (Cone-Calorimeter-Verfahren).
[6] EN ISO 5659-2:2013-03: Kunststoffe - Rauchentwicklung - Teil 2: Bestimmung der optischen Dichte durch Einkammerprüfung (ISO 5659-2:2012).
[7] http://www.transfeu.eu
[8] Dipl. Ing. Michaela Störkmann: „Brandverhalten Elastomerer Dämmstoffe“, In: Isoliertechnik 5/2000, Seite 48 bis 55.
Abstract
Um Passagieren und Personal in Schienenfahrzeugen eine schnelle und sichere Flucht- und Rettungsmöglichkeit zu gewährleisten, kann eine geringe Rauchdichte im Brandfall lebensentscheidend sein. Dieser Tatsache trägt die neue europäische Norm EN 45545-2 Rechnung und verschärft die Anforderungen an das Brandverhalten von Materialien und Komponenten. In vielen Zügen dürfen zukünftig nur noch technische Dämmstoffe mit der Gefährdungsstufe (Hazard Level) HL2 eingesetzt werden. Mit ArmaFlex Rail SD bietet Armacell den ersten hochflexiblen geschlossenzelligen Dämmstoff für Installationen auf Kälte- und Klimaanlagen, der den erhöhten Brandschutzanforderungen im Schienenfahrzeugbau gerecht wird.
