TY - JOUR A1 - Heap, M.J. A1 - Lavallée, Y. A1 - Laumann, A. A1 - Hess, K.-U. A1 - Meredith, P.G. A1 - Dingwell, D.B. A1 - Huismann, Sven A1 - Weise, Frank T1 - The influence of thermal-stressing (up to 1000 °C) on the physical, mechanical, and chemical properties of siliceous-aggregate, high-strength concrete JF - Construction and building materials N2 - High-strength concrete (HSC) will experience thermal microcracking, explosive spalling, and undesirable chemical changes when exposed to high temperatures, such as during fire, engulfment by lava flow, or nuclear meltdown. Knowledge of the resultant changes in mechanical, physical, and chemical properties is paramount for hazard mitigation. We present a multidisciplinary study on the influence of thermal-stressing on HSC. Our study shows that thermal microcracking in HSC initiates at 180 °C, is more prevalent during cooling, and exhibits the Kaiser 'temperature-memory' effect. We show that residual compressive strength, indirect tensile strength, ultrasonic wave velocities, and Young’s modulus and Poisson’s ratio decrease, whilst porosity and permeability increase with increasing temperature. We discuss these data in terms of the chemical changes during thermal-stressing, provided by thermo-gravimetric analysis, differential scanning calorimetry, and X-ray diffraction, and from optical microscopic analysis of thermally-stressed samples. We provide implications for thermally-damaged HSC structures and a new method for non-destructive monitoring. KW - High strength concrete KW - Fire KW - Thermal-stressing KW - Acoustic emissions KW - Physical properties KW - Elastic moduli KW - Uniaxial compressive strength KW - Indirect tensile strength KW - Thermo-gravimetric analysis KW - X-ray diffraction PY - 2013 DO - https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.01.020 SN - 0950-0618 VL - 42 SP - 248 EP - 265 PB - Elsevier Ltd. CY - Amsterdam AN - OPUS4-27992 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven A1 - Korzen, Manfred A1 - Rogge, Andreas T1 - Tragverhalten von Stützen aus hochfestem Stahlbeton unter Brandbeanspruchung T2 - 52. DAfStb-Forschungskolloquium, BAM T2 - 52. DAfStb-Forschungskolloquium, BAM CY - Berlin, Germany DA - 2011-11-07 PY - 2011 AN - OPUS4-25239 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven T1 - Damage of a high performance concrete at high temperatures due to thermo-mechanical stresses T2 - 7th International PhD Symposium in Civil Engineering, September 11-13, 2008, Stuttgart (Proceedings) T2 - 7th International PhD Symposium in Civil Engineering CY - Stuttgart, Germany DA - 2008-09-11 KW - High performance concrete KW - Fire KW - High temperatures KW - Cracking KW - Thermo-mechanical stresses PY - 2008 IS - Kap. 16.3 SP - 23 EP - 29 AN - OPUS4-17950 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven A1 - Korzen, Manfred A1 - Rodrigues, J.P.C. T1 - Damage and strenght reduction of high performance concrete due to thermomechanical stresses T2 - Fire Design of Concrete Structures - From Materials Modelling to Structural Performance, Workshop T2 - Fire Design of Concrete Structures - From Materials Modelling to Structural Performance, Workshop CY - Coimbra, Portugal DA - 2007-11-08 PY - 2007 AN - OPUS4-15489 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven T1 - Damage of high performance concrete at high temperatures due to thermo-mechanical stresses T2 - 7th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, Universität Stuttgart T2 - 7th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, Universität Stuttgart CY - Stuttgart, Germany DA - 2008-09-11 PY - 2008 AN - OPUS4-17197 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven A1 - Weise, Frank A1 - Meng, Birgit A1 - Schneider, U. T1 - Influence of Polypropylene Fibres on the Thermal Strain of High Strength Concrete at High Temperatures T2 - Sixth International Conference on Sturctures in Fire T2 - Sixth International Conference on Sturctures in Fire CY - East Lansing, MI, USA DA - 2010-06-02 PY - 2010 AN - OPUS4-21095 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven A1 - Korzen, Manfred A1 - Schneider, U. T1 - A Material Model for the Numerical Simulation of High Strength Concrete Columns Subjected to Fire Loading T2 - Sixth International Conference on Structures in Fire T2 - Sixth International Conference on Structures in Fire CY - East Lansing, MI, USA DA - 2010-06-02 PY - 2010 AN - OPUS4-21455 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven A1 - Weise, Frank A1 - Meng, Birgit A1 - Schneider, U. T1 - Influence of Polypropylene Fibres on the Thermal Strain of High Strength Concrete at High Temperatures T2 - Sixth International Conference on Structures in Fire T2 - Sixth International Conference on Structures in Fire CY - East Lansing, MI, USA DA - 2010-06-02 PY - 2010 AN - OPUS4-21499 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Huismann, Sven T1 - Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung T2 - Deutscher Ausschuss für Stahlbeton N2 - Das Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung unterscheidet sich wesentlich von dem des normalfesten Betons. Dies bedeutet, dass bestehende Annahmen sowie Berechnungsverfahren mit zugehörigen Materialparametern, die von einem normalfesten Beton ausgehen, nicht ohne weiteres auf den hochfesten Beton übertragen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher exemplarisch für einen hochfesten Beton das Verhalten unter thermomechanischer Beanspruchung untersucht. Dabei wurden die Einflüsse verschiedener Randbedingungen bei der Prüfung sowie der Einfluss von Polypropylenfasern (PP-Fasern) im Beton auf die thermomechanischen Materialeigenschaften charakterisiert und ein wesentlicher Beitrag zur Klärung der Ursachen geleistet. Weiterhin wurde mit Hilfe der gewonnenen Kennwertfunktionen ein Materialmodell entwickelt und damit das Trag- und Verformungsverhalten von Stahlbetonstützen aus hoch-festem Beton unter Brandbeanspruchung rechnerisch beschrieben. Anhand eines Bauteilversuchs wurde das Berechnungsverfahren validiert. Die Bearbeitung erfolgte in drei Teilen. In dem ersten Teil dieser Arbeit wurde ein thermomechanischer Prüfstand entwickelt, in dem die Ermittlung der thermomechanischen Materialkennwertfunktionen exemplarisch für einen hochfesten Beton erfolgte. Ein wesentlicher Untersuchungsgegenstand war der Einfluss der Belastungsgeschichte während der Erwärmung auf die Spannungs-Dehnungs-Linien. Dabei wurde eine Reduzierung des temperaturbedingten Abfalls der Festigkeit und des E-Moduls mit zunehmender Belastung und Temperatur festgestellt. Mit zerstörungsfreien und zerstörenden Prüfverfahren konnte gezeigt werden, dass die Belastung während der Erwärmung eine Orientierung der Risse bewirkt und dadurch der Abfall in der Festigkeit und dem E-Modul verringert wird. Der Einfluss hoher lokaler Temperaturgradienten auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen wurde ebenfalls untersucht. Zwar entstehen infolge thermomechanischer Spannungen zusätzliche Risse im Betongefüge, diese wirken sich jedoch nicht wesentlich auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen aus. Weiterhin wurde der Einfluss von PP-Fasern auf das Verformungsverhalten des Betons bei instationärer Temperaturbeanspruchung untersucht. Mit Hilfe thermogravimetrischer Versuche konnte gezeigt werden, dass die PP-Fasern durch ihre Wirkung im Beton den Feuchtetransport je nach Aufheizrate zwischen 180 °C und 250 °C beschleunigen. Dies führt zum Schwinden des Zementsteins, das der thermischen Dehnung entgegenwirkt und in der Verformungskurve als Stagnation wahrgenommen wird. Ohne PP-Fasern findet der Feuchtetransport wesentlich langsamer statt und eine Stagnation in der Verformungskurve bleibt aus. Bei Temperaturen oberhalb von 300 °C sind die thermischen Dehnungen des Betons mit PP-Fasern geringer und die mechanischen Dehnungen höher als ohne PP-Fasern. In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurden Stahlbetonstützen aus dem gleichen Beton, für den die thermomechanischen Kennwertfunktionen ermittelt wurden, unter Brandbeanspruchung geprüft. Nach der Beanspruchung erfolgte zusätzlich die Charakterisierung der Rissbildung mittels 3D-Röntgen-Computertomographie. In dem dritten Teil dieser Arbeit wurde auf der Grundlage der Ergebnisse des ersten Teils ein Materialmodell in Anlehnung an den Eurocode 2 entwickelt. Mit diesem konnte das Trag- und Verformungsverhalten der Stahlbetonstützen aus hochfestem Beton im Brandfall hinreichend genau abgebildet werden. Im Rahmen der Validierung zeigte sich, dass die charakteristischen Kenngrößen des Modells (E-Modul und Festigkeit) zwingend aus den instationären Kriechversuchen abgeleitet werden müssen. Sofern die Festigkeit nur aus den stationären Versuchen abgeleitet wird, wird das Tragverhalten deutlich überschätzt. KW - Hochfester Beton KW - Temperatur KW - Thermomechanik KW - Instationäres Temperaturkriechen KW - Schallemissionsanalyse KW - Ultraschall KW - Polypropylen-Fasern KW - Brand KW - Numerische Simulation KW - Stützen PY - 2010 SN - 0171-7197 IS - 590 SP - 1 EP - 135 PB - Beuth CY - Berlin AN - OPUS4-23005 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Huismann, Sven A1 - Korzen, Manfred T1 - Experimental and numerical study of high performance concrete columns subjected to fire loading T2 - Applications of Structural Fire Engineering T2 - Applications of Structural Fire Engineering CY - Prague, Czech Republic DA - 2009-02-19 PY - 2009 AN - OPUS4-18738 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -