TY - JOUR A1 - Klimek, André A1 - Stelzner, Ludwig A1 - Hothan, Sascha A1 - Zehfuß, Jochen T1 - Influence of thermal strain on concrete spalling N2 - Understanding the susceptibility to spalling of concrete members in case of fire is important to evaluate the residual load-bearing capacity. The investigations of the spalling phenomenon of a concrete mixture using real scale members are necessary but expensive to carry out. Reducing the specimen size leads to an increase of boundary effects that can result in a reduced spalling or absence of spalling. In this study, fire tests were carried out on unrestrained, single-sided exposed, cuboid shaped specimens (0.6 m x 0.6 m x 0.29 m) as well as unrestrained and steel ring restrained cylindrical specimens (Ø = 0.47 m, h = 0.29 m), which induce different boundary conditions. These fire tests were carried out on two ordinary concrete mixtures. The two mixtures differ only in the type of aggregates (quartz gravel and basalt grit) and were used to investigate the influence of the thermal expansion of the aggregate on the spalling behaviour of the concrete. The results show a significant increase of the spalling depth due to the restrained thermal expansion achieved by the applied steel rings. Additionally, the type of aggregate has a direct influence on the spalling behaviour of a concrete mixture. The reduction of the boundary effects by the steel rings recreate the test conditions in the centre of a large concrete member. Thus, this type of specimen is suitable to determine the susceptibility to spalling of a material (screening-tests) as preliminary investigations to full scale fire tests. KW - Spalling KW - Concrete KW - Fire test KW - Restraint KW - Screening test PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-593350 DO - https://doi.org/10.1617/s11527-023-02274-x VL - 57 SP - 1 EP - 14 PB - Springer AN - OPUS4-59335 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Nandish, Ranjith A1 - Knaust, Christian A1 - Zehfuß, Jochen T1 - Numerical Investigations of a Large Fire Exposure Crib Test—Presenting Different Pyrolysis Modelling Methodologies and Numerical Results N2 - ABSTRACTThe need for numerical‐based approaches to investigate the fire behaviour in buildings with combustible components is growing due to the increasing use of timber by the construction industry to meet the ‘Climate Action Plan 2050’. This requires consideration of the complex kinetic processes that take place during the burning of the wood in the numerical models. This is accomplished by using computational fluid dynamics (CFD) to numerically model the material pyrolysis and combustion processes. This article presents three different approaches for simulating the behaviour of a wood crib fire using the fire dynamics simulator (FDS). These approaches are based on either prescribing the burning rate of the wood directly from the physical experiments or using the kinetic parameters to govern the underlying processes, such as pyrolysis. Wooden crib fire experiments carried out by the RISE Research Institute in Sweden inside the combustion chamber that were used to validate all the methods. The numerical results from the method, that utilised the experimentally determined burning rate, were in good agreement with the experimental results, with a maximum deviation of 6% in the case of HRR. On the other hand, the model that needs kinetic parameters as its input has shown maximum discrepancies of 12% and 33% compared to experimental results. These methods are sensitive to the input parameters and the extent of dependency needs further investigation. KW - Pyrolysis KW - Wood combustion KW - Wood fire loads KW - Wooden buildings PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-626567 DO - https://doi.org/10.1002/fam.3287 SN - 1099-1018 VL - 49 IS - 4 SP - 371 EP - 387 PB - John Wiley & Sons Ltd. AN - OPUS4-62656 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kobe, André A1 - Stelzner, Ludwig A1 - Hothan, Sascha A1 - Zehfuß, Jochen T1 - Der Einfluss der Prüfbedingungen auf das Abplatzverhalten von Beton im Brandfall T1 - The influence of the test conditions on the spalling behaviour of concrete due to fire exposure N2 - Die Durchführung von realmaßstäblichen Bauteilversuchen zur Analyse des Abplatzverhaltens von Beton im Brandfall ist aufwendig, material‐ und kostenintensiv und setzt die Verfügbarkeit von Großbrandversuchsständen voraus. Daher wird die Abplatzneigung von Beton vorwiegend an kleinformatigen Prüfkörpern untersucht. Mit der Reduktion der Prüfkörpergröße verringert sich der thermische und hygrische Gradient im Randbereich, wodurch sowohl die thermisch induzierten Schädigungen im Beton als auch die Abplatzungen verringert werden. Für ein besseres Verständnis dieser komplexen Zusammenhänge wurde das Abplatzverhalten kleinformatiger Betonprüfkörper (Ø = 0,47 m; h = 0,29 m) mit verschiedenartigen Ummantelungen und unterschiedlichen Feuchtezuständen der Betonrandzone für zwei Normalbetone analysiert. Am Prüfkörper applizierte Stahlringe behinderten dabei die thermische Ausdehnung sowie den Wasserverlust über die Mantelfläche. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abplatzungen infolge der Prüfkörperummantelung zunehmen und die Größenordnung vergleichender Großbrandversuche erreichen. Dies lässt den Schluss zu, dass die Ummantelung eines kleinformatigen Prüfkörpers mit Stahlring die Prüfbedingungen in der Mitte der brandbeanspruchten Fläche eines großformatigen Bauteils nachstellen kann. Des Weiteren führt die Vortrocknung der Betonrandzone zur Verzögerung bzw. Verringerung von Abplatzungen. N2 - Investigating the spalling behaviour of a concrete mixture using large scale members is complex and expensive. Thus, the susceptibility to spalling of concrete is investigated by means of fire tests on small format specimens. However, the reduction of the fire exposed surface increases the influence of boundary effects. Macrocracking and the water loss via the lateral surfaces reduce the thermomechanical and thermohydraulic damage and therefore, lower the risk of spalling. Thus, this study investigated the influence of different restraint and moisture conditions on the spalling behaviour of small format specimens (Ø = 0.47m; h = 0.29m) for two ordinary concrete mixtures. Applied steel rings restrained the thermal expansion of the specimen and prevented the water loss during the fire test. The results show that increased spalling occurred to a similar extend as in large scale fire tests because of a restrained expansion of the specimen. Further, a pre-dried boundary zone led to a delayed or rather a prevention of spalling compared to the non-dried specimens. To determine the susceptibility to spalling of a concrete mixture, the test conditions in the centre of a large scale member can be simulated by restraining the expansion of a small format specimen with applied steel rings. KW - Beton KW - Brand KW - Abplatzen KW - Zwang PY - 2025 DO - https://doi.org/10.1002/best.202400104 SN - 1437-1006 SP - 1 EP - 10 PB - Wiley AN - OPUS4-62732 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Neugum, Tim A1 - Stelzner, Ludwig A1 - Häßler, Dustin A1 - Zehfuß, Jochen A1 - Hothan, Sascha T1 - Application of the substructure method to assess the fire resistance of thermally restrained columns N2 - Usually, the fire resistance of load-bearing structural elements is determined by single members testing. A mechanical load is applied to the member in a force-controlled manner and is maintained constant throughout the fire test. After applying the mechanical load, the thermal exposure starts according to the ISO 834 fire curve. In this conventional test method, no interaction between the tested member and the entire building structure is considered. In buildings, the surrounding structure can restrain the thermal expansion of a member in case of fire. This may have both positive and negative effects on the fire resistance of this structural element. Several years ago, the Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE) at the University of Coimbra in Portugal and the Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) in Germany carried out fire tests on circular and square steel-reinforced concrete columns with restrained thermal expansion. BAM´s column test furnace allows the specimen to be subjected to thermal exposure and mechanical loading simultaneously. In addition, this device has a substructure test module, which can also provide restrained test conditions. In an ongoing research project at BAM and Technische Universität Braunschweig, the effect of restrained test conditions on the behaviour of steel-reinforced columns under fire exposure is further investigated. T2 - 8th International RILEM Workshop on Concrete Behaviour due to Fire Exposure CY - Krakow, Poland DA - 18.09.2025 KW - Substructure method KW - Surrounding structure KW - Fire resistance KW - Restrained columns KW - Concrete PY - 2025 SP - 1 EP - 2 AN - OPUS4-64582 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Neugum, Tim A1 - Stelzner, Ludwig A1 - Häßler, Dustin A1 - Zehfuß, Jochen A1 - Hothan, Sascha T1 - Berücksichtigung der Tragwerksumgebung bei Brandversuchen an Stahlbetonstützen N2 - Das Tragwerk eines Gebäudes ist aus einzelnen Bauteilen zusammengesetzt. Insbesondere bei lokalen Brandereignissen bauen sich durch die Ausdehnung der vom Brand betroffenen Bauteile gegen das umgebende kältere Gesamttragwerk Zwangsbeanspruchungen auf. Bei konventionellen Brandprüfungen werden diese Zwangsbeanspruchungen in der Regel nicht berücksichtigt, da die Prüfsystematik auf Einzelbauteilprüfungen bei konstanter mechanischer Last ausgelegt ist. Die Prüfung komplexer, realmaßstäblicher Tragwerke ist oftmals nicht möglich. Die Interaktion des Einzelbauteils mit dem umgebenden Tragwerk kann sich sowohl positiv als auch negativ auf den Feuerwiderstand auswirken. Als nachteilig ist der thermische Zwang und die daraus resultierende Lasterhöhung zu nennen. Gleichzeitig kann eine Stauchung der Stütze zu einer Umlagerung von Kräften in das umgebende Tragwerk führen und damit den Versagenszeitpunkt der Stütze verzögern. Mit Hilfe der Substrukturtechnik kann das Verhalten einer Stütze im Brandfall unter Berücksichtigung der Interaktion mit dem umgebenden Tragwerk analysiert werden. In einem gemeinsamen DFG-Vorhaben der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig werden 14 Stahlbetonstützen mit freier und behinderter axialer Ausdehnung untersucht. Auf Basis eines realen Gebäudes werden unter anderem die Steifigkeit, welche das umgebende Tragwerk repräsentiert, der Lastausnutzungsgrad und die Brandeinwirkung variiert. Mit dem Ziel das Stützenverhalten unter thermischem Zwang im Detail zu analysieren, erfolgen Brandversuche und numerische Simulationsberechnungen. Dabei werden die erforderlichen mechanischen Materialeigenschaften des Betons bei erhöhten Temperaturen aus experimentellen Daten abgeleitet. Der Beitrag liefert einen Einblick in die experimentellen und numerischen Ergebnisse. Es zeigt sich, dass die behinderte axiale Ausdehnung und die Möglichkeit einer Lastumlagerung bei Stauchung der Stütze einen erheblichen Einfluss auf das Versagen im Brandfall haben. Die mittels Substrukturtechnik erzeugte Zwängung des umgebenden Tagwerks führt zu einem Anstieg der Axialkraft in der Stütze sowie einer Abnahme der maximalen Stützenausdehnung. Gleichzeitig setzt die Stauchung der Stütze früher ein. Wird eine Stütze-Tragwerk-Interaktion auch für den Stauchungsbereich der Stütze angesetzt, kann der Vorteil einer Lastumlagerung genutzt werden. Somit kann trotz einer höheren mechanischen Belastung während der Ausdehnungsphase der Stütze ein späterer Versagenszeitpunkt als bei einer konventionell geprüften Stütze erreicht werden. T2 - Symposiums Heißbemessung – Structural Fire Engineering 2025 CY - Braunschweig, Germany DA - 29.09.2025 KW - Substrukturtechnik KW - Stahlbetonstützen KW - Feuerwiderstand KW - Stützenbrandversuche KW - Numerik PY - 2025 SP - 38 EP - 52 PB - TU Braunschweig AN - OPUS4-64581 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Nandish, Ranjith A1 - Knaust, Christian A1 - Hofmann-Böllinghaus, Anja A1 - Gnutzmann, Tanja A1 - Zehfuß, Jochen T1 - Simulation of wood pyrolysis with component-based mechanism N2 - This paper presents a comprehensive fire simulation study that models the pyrolysis process of beech wood using kinetic parameters with the Fire Dynamics Simulator (FDS). The kinetic methodology is based on the application of these kinetic parameters to govern the underlying pyrolysis reactions. The primary objective was to numerically model the pyrolysis process for beech wood using both single-component (single-step, single reaction scheme) and multi-component (single-step, multi-reaction scheme) kinetic reaction schemes. The accuracy of the numerical model was validated by comparing FDS simulation results with experimental data obtained from thermogravimetric analysis (TGA) and cone calorimeter tests. This approach aids in identifying reliable kinetic reaction input parameters for modelling wood fires. A case study was included to demonstrate the implementation of the kinetic reaction schemes. Numerical results from the TGA simulations for the small-scale pure cellulose test using the single-component approach exhibit consistency with the experimental data. Furthermore, the results demonstrated that the multi-component approach more accurately replicates the shape of the experimental curve for beech wood compared to the single-component approach. However, discrepancies in the tail regions of the curves obtained from the FDS simulations showed the need for further improvement in the modelling approach, particularly regarding the exclusion of char oxidation reactions, which needs to be investigated further. KW - Simulation KW - Wood PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-639272 DO - https://doi.org/10.1007/s00231-025-03571-7 SN - 0947-7411 VL - 61 IS - 6 SP - 1 EP - 14 PB - Springer Science and Business Media LLC AN - OPUS4-63927 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -