Feuer und Erde

Lignum Terra

Projektbeschrieb

Mittels Recherchen und Untersuchungen werden die Eigenschaften von Beplankungen und Bekleidungen aus Lehmbaustoffen brandschutztechnisch eingeordnet. Dadurch können die Experten aus Lehmbau, Holzbau und Brandschutz gemeinsam Bedürfnisse abstecken. So werden zielführende Brandversuche von Holzkonstruktionen mit Lehm aufgegleist, durchgeführt, ausgewertet und mit weiteren Beiträgen abgeglichen.

Projektresultate
Ein grundlegendes Verständnis für das Verhalten flächiger Lehmbaustoffe als Brandschutz in gängigen Konstruktionen mit Schweizer Rahmenbedingungen wird erreicht und durch Definition der Anforderungen und Berechnungswerte belegt. Damit ermöglichen sie die Integration von Lehm in die Lignum-Publikation 2026 zum Brandschutz und verbreitern das Spektrum nachhaltiger Baustoffkombinationen im Holzbau.

( Français ci-dessous)

Projektabschluss

Ausgangslage
Lehmbau wird im heutigen Bauen immer mehr von Interesse und kann aufgrund seiner Kreislauffähigkeit, Verfügbarkeit und geringen Emissionen zur Lösung heutiger Umweltrisiken beitragen. Aufgrund der industriellen Entwicklungen von Baustoffen insbesondere im letzten Jahrhundert war Lehm als Material im Bauwesen nicht vorhanden, obwohl es traditionell seine Vorzüge unter Beweis gestellt hat. Demnach ist die Nachweisführung für das heutige Bauen vielfach noch offen.
Dies betrifft auch den Brandschutz durch Lehmbaustoffe, auch wenn Lehm traditionell sogar als Brandschutzmaterial diente. Neben der grundsätzlichen Nichtbrennbarkeit von reinem Lehm waren die Nachweise zum Feuerwiderstand bislang zu wenig beachtet und auch zu aufwendig. Neben vereinzelten VKF-Anerkennungen (Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen) und wenigen verhältnismässig sehr aufwendigen Einzelzulassung für jeweils ein Bauwerk gibt es Testberichte, die entweder herstellerbezogen Produkte abbilden, komplette Bauteilaufbauten untersuchen oder aufgrund unterschiedlicher Rahmenbedingungen nicht gut vergleichbar und somit nicht übertragbar sind.
Die historisch bewährte Kombination von Holz und Lehm zeigt durch heutige Leuchtturmprojekte wieder ihr Potenzial. Dazu kommt im Holzbau, der etwa durch Schutzschichten zusätzliche Brandanforderungen heutiger Bauweisen erfüllt, mit dem «Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten - Teil 1-2: Tragwerksbemessung für den Brandfall (FprEN 1995-1-2:2025)» eine Neuerung, die nun auch Lehmputz enthält. Die heute auf dem Markt erhältlichen Lehmplatten sind jedoch darin aufgrund ihrer Rohdichte meist nicht eingeschlossen und zudem zu konservativ bewertet.

Projektziele
Vor diesem Hintergrund entstand das Projekt Lignum Terra, welches von den IG Lehm mit ihren Lehmbau-Fachleuten und weiteren Experten aus dem Holzbau und Brandschutz in Kooperation mit der ETH Zürich und in Abstimmung mit der Lignum und der TalTec von Juni 2025 bis Juni 2026 umgesetzt wurde. Dadurch sollte die Bewilligungsfähigkeit und die Dimensionierung für Lehmbaustoffe als feuerwiderstandsfähige Schicht hersteller- und produkteunabhängig ermöglich werden und so in die gängigen Abläufe passend für Planende und Ausführende leicht zugänglich sein. Das Ziel ist die praxistaugliche, optimierte und auf den Schweizer Markt abgestimmte Aufnahme von Lehmprodukten in die kommende Generation der «Lignum-Publikation 4.1 Bauteile in Holz – Decken, Wände und Bekleidungen mit Feuerwiderstand». Für den Fokus auf Beplankungen erforderte dies auch grundlegende anwendungsbezogene Forschung, in der die wissenschaftlichen Grundlagen zusammengestellt und systematische Brandversuche durchgeführt, sowie Bemessungsansätze und Materialdefinitionen erarbeitet werden.

Grundlagenerarbeitung
Die Literaturrecherche im ersten Schritt bestätigte die fehlende verwendbare Datenlage, gab aber zusammen mit der Marktübersicht zu Leichtlehmplatten und Lehmplatten einen ersten Ansatz für das Versuchsprogramm. Auf dem immer dynamischer werdenden Lehmplatten-Markt in der Schweiz und in Deutschland sind derzeit 7 Hersteller mit rund 14 verschiedenen Lehmplattentypen mit Dicken zwischen 16mm und 40mm, ebenso wie Rohdichten zwischen 700kg/m3 bis 1780kg/m3 vertreten. Deren Mischungen unterscheiden sich in den Arten und Anteilen der Lehme, Sande, mineralische und faserige Zuschläge, sowie mitunter biogene Zusatzmittel, wie auch in den verschiedenen Armierungen und Netzen. Die unterschiedlichen Herstellungsverfahren (formgestrichen, handgestrichen, formgepresst und stranggepresst) führen damit und zusammen mit unterschiedlichen Standards (nach Lehmbau Regeln, DIN oder ohne) zu unterschiedlichen Eigenschaften. Ausserdem variierend die heutigen Lehmplatten hinsichtlich ihrer Funktion (mittragende Beplankung, Bekleidung und Spezialfunktionen wie Klimasteuerung oder Sandwichplatten). Verschiedene Produktionsorte, Rohstoffbezüge, Produzenten und Handelsnamen erschweren darüber hinaus die Ein- und Zuordnung.

Versuchsanordnung
Um die Untersuchung der Schutzzeiten von Lehmplatten im Brandfall konstruktiv zu gestalten, fand eine möglichst breite Auswahl flächiger, möglichst homogener Lehmplatten für Beplankungen und Bekleidungen innerhalb des bestehenden Marktes in der Schweiz und Deutschland statt. Diese ermöglichte auch höheren organischen Anteil, der die Vorgaben der DIN 18948 «Lehmplatten Anforderungen, Prüfung und Kennzeichnung» zu «nicht mehr als 1,0 % Massenanteil homogen verteilte organische Bestandteile», deren Nichtbrennbarkeit nicht separat nachzuweisen ist, überschritt. Daneben wurde die Rohdichte und Dicke einbezogen, um eine Bandbreite abzubilden. Dadurch wurde ein Versuchsprogramm zusammengestellt, in dem Lehmplatten alleinig einlagig und zweilagig auf den unterschiedlichem Materialien Spanplatte, Holz und Steinwolle als Untergrund in einer separierten Anordnung horizontal getestet wurden. Die Geometrie der Unterkonstruktion musste diese Variation zur Vergleichbarkeit der Messpunkte innerhalb der Ofenbegrenzungen entsprechend abdecken. Die verschiedenen Lehmplatten wurden mit Klammern befestigt, deren Anzahl so minimal wie möglich und so maximal wie nötig im Vorfeld festgelegt werden musste. Die insgesamt 10 Brandversuche mit je vier unabhängigen Feldern erlaubten 40 Testaufbauten von Lehmplatten im Format 750 x 420 mm, die mit der ISO 834 Einheitstemperaturkurve befeuert wurden. Die platzierten Thermoelemente ermittelten die Temperaturentwicklung hinter jeder einzelnen Schicht und an den unterschiedlichen Stellen der Konstruktion. Zur Orientierung wurde in die Versuchsanordnung über das Verstreichen der Befestigungen hinaus auch Aufbauten mit verschiednen Lehmputzen und mit unterschiedlichen Befestigungsmitteln diverser Breiten, Längen und Eindringtiefen integriert. Die Anzahl und das Raster der hauptsächlich gewählten 11.25mm breiten Klammern wurde während der Versuchsreihe angepasst, um das Minimalziel des Nichtabfallens bis zum Erreichen der relevanten Temperatur von 300°C bei allen Platten zu garantieren.

Partnerprojekt
Glücklicherweise entstand parallel zum Schweizer Projekt Lignum Terra auch in Deutschland an der TU München das Projekt Beclaydung, welches eine ähnliche Zielsetzung verfolgte. Hierbei wurden 3x7 Kleinversuche für Wand und Decke mit hauptsächlich nichtbrennbaren Lehmplatten durchgeführt. Darin enthalten war auch die Kombination mit Gipsfaserplatten. Auch zwei Grossversuche wurden anschliessend durchgeführt. Um eine gute Vergleichbarkeit der Messungen und Beobachtungen zu erzielen, haben sich die beiden Projekte stetig abgestimmt, was insbesondere den Versuchsaufbau, die sich ergänzende Auswahl an Lehmplatten, respektive der Aufbauten, und der Befestigungsmittel betraf. Auch die Auswertung und Einordnung erfolgt letztlich in Kooperation und mit Zugriff auf die kompletten Datensätze.

Messergebnisse
Die Temperaturkurven der einzelnen Messpunkte wurden für jeden einzelnen Aufbau aufgezeichnet, insbesondere zwischen den einzelnen Platten und im massgeblichen Übergang zum zu schützenden Material. Darin ist daneben auch ein allfälliges Abfallen oder auch ein Plateau im Kurvenverlauf bei 100°C ersichtlich, wenn das Wasser in den Poren verdunstet. Diese Messkurven können als Mittelwerte vergleichend auch übereinander betrachtet werden, um das Spektrum zu erfassen, welches je nach Aufbau und Plattenart von 15 bis 60 Minuten bis zum Erreichen der Temperatur, beider die Verkohlung des Holzes beginnt, reicht.
Durch Konstellation zweier Versuchsreihen an der ETHZ und an der TUM, könnten auch Vergleichsrechnungen durchgeführt werden und anhand aller Daten eine Modellierung konzipiert werden, die einen einfachen, linearen Berechnungsansatz für die Grundschutzzeit untermauert. Dieser ist vor allem im Hinblick auf die Integration und die Berechnungen der diversen Aufbauten in der Lignum Publiaktion Brandschutz 4.1 gut umsetzbar und integriert eine breite Palette von Lehmplatten sowohl in einlagigen als auch in zweilagigen Aufbauten. Für die weiteren Berechnugsparameter zum Brandschutz wird auf den Eurocode 5 zurückgegriffen. Ein Einbezug weiterer Parameter wie Wärmeleitfähigkeit in einen non-lineare Berechnung schien nach ersten Einschätzungen durchaus auch sinnvoll und würde der Komplexität der vielfältigen Lehmplatten im einzelnen langfristig sicherlich mehr gerecht. Dieser hat sich aber für ein niederschwelliges Hilfsmittel und auf Basis ähnlicher Versuche (ohne punktuelle Ausreisser) als zu umfangreich erwiesen. Der lineare Ansatz für die Schutzzeit enthält nun einerseits einen Faktor, der die Dicke multipliziert, andererseits einen Wert der dieses Vielfache wieder relativiert und damit das Spektrum richtig platziert.

Fazit Brandversuche und Einordnung
Somit gelang eine erfolgreiche Versuchsdurchführung mit breiter Produktpalette (ETH und TUM), die durch die  wachsende Verständigung zwischen den Disziplinen Holz, Lehm und Brandschutz erst ermöglicht wurde. Auch der Austausch zwischen ETH, TUM und Lignum Terra war erfreulich und zielführend.
Die gemessene Schutzzeiten übertreffen in den meisten Fällen den Bemessungsansatz für Lehmputz gem. Entwurf Eurocode 5 Teil 1-2 Darüber hinaus korrelieren auch die Ergebnisse der Brandversuche und der ermittelten Bemessungsformel gut. Eine genauere Untersuchung der Schutzzeit der Lehmplatten mit abweichenden Ergebnissen ist allerdings noch erforderlich. Zudem ist der Zeitpunkt des Erreichens des Abfallens der Lehmplatten, sowie die Anwendung von Lehmputzen und Befestigungen noch nicht ausreichend tief untersucht oder verglichen.

Integration in die Lignum Publiaktion Brandschutz
Verschiedenste Vergleichsrechnungen mit dem Ziel gleicher Schutzzeiten nach EN 1995-1-2 für symmetrische Wandaufbautem für EI 30 ohne und mit anrechenbarer Dämmung und für REI 60 erreichen im Vergleich mit den Schichtstärken des geplanten Eurocode 5 bessere Werte, die auch praxistaugliche Plattendicken gut anwendbar sind, wie etwa 16mm dicke Lehmplatten. Dies ermöglicht unter Berücksichtigung von Brandschutz, Schallschutz und Innenraumklima durchaus wirtschaftliche Lösungen, die auch die weiteren Vorteile des Lehms einbeziehen.

Auf dieser Basis besteht Zuversicht Lehmplatten in die Bauteiltabellen der zukünftigen Lignum Publikation Brandschutz 4.1 Bauteile in Holz integrieren zu können. Dabei sind die Berechnungsparameter auf dieser Grundlage fixiert, sollten im weiteren Verlauf nicht unerwartete Ergebnisse auftreten. Somit beginnt nun die Neuberechnung der Tabellen inkl. Berechnungsparameter Lehmplatten.
Darüber hinaus gibt es laufende und weitere Forschungsarbeiten an der ETH und TUM. Für den jetzigen Publikationszyklus wären allerdings auch die Kombination von Lehmplatten mit Massivholzschalungen, Beschwerungen mit Lehm und Riegelwandkonstruktionen mit Lehm wünschenswert. Das Ziel ist Veröffentlichung der Publikation kurz nach Inkrafttreten der neuen Brandschutzvorschriften, womit dann der brandschützende Einsatz der meisten Lehmplatten tatsächlich möglich sein wird.

Ein besonderer Dank gilt allen Unterstützenden.

Lignum Terra

Description du projet

À travers des recherches et des investigations, les propriétés des revêtements et habillages en matériaux en terre sont classées en termes de protection incendie. Cela permet aux experts en construction en terre crue, en construction bois et en protection incendie de définir ensemble leurs besoins. Ainsi, des essais incendie ciblés sur des structures en bois avec de la terre crue sont planifiés, réalisés, analysés et comparés à d'autres contributions.

Résultats du projet

Une compréhension fondamentale du comportement des matériaux de construction plats en terre crue en tant que protection incendie dans les constructions courantes, dans le cadre des normes suisses, est atteinte et prouvé par la définition des exigences et des valeurs de calcul. Cela permet d’intégrer la terre crue dans la publication Lignum 2026 sur la protection incendie et d’élargir le spectre des combinaisons de matériaux durables en construction bois.

Kontakt zur Arbeitsgruppe Brandschutz

Bildmaterial © IG Lehm/ ETH/ TUM/ Eurocode 5/ Johanna Liblik