TY - THES A1 - Hauswaldt, Sebastian T1 - Kontinuumsmechanische Werkstoffmodelle zur numerischen Simulation von Stahlbauteilen im Brandfall N2 - Das nichtlineare und geschwindigkeitsabhängige1 Materialverhalten von Stahl wird besonders bei hohen Temperaturen sichtbar. Für Finite-Elemente-Simulationen von Stahlkonstruktionen im Brandfall sollte aus diesem Grund plastisches und geschwindigkeitsabhängiges Materialverhalten beschrieben werden. Die vorliegende Arbeit betrachtet unter diesem Aspekt bisherige Materialuntersuchungen und macht Vorschläge für dreidimensionale Materialmodelle mit entsprechenden Eigenschaften. Es werden zunächst die phänomenologischen Eigenschaften von Baustahl anhand einer Literaturrecherche analysiert, wobei verstärkt auf Untersuchungen des Materialverhaltens bei Belastungen und Aufheizprozessen, wie sie im Brandfall zu erwarten sind, geachtet wird. Die für die Bemessung von Stahlkonstruktionen gebräuchliche Spannungsbeschreibung des EC 3-1-2 wird untersucht. Es werden ihre Stärken, aber auch die zur Entwicklung einer kontinuumsmechanischen Materialformulierung fehlenden Eigenschaften, aufgezeigt. Ein nichtlinear-elastisches kontinuumsmechanisches Materialmodell der Deformationstheorie der Plastizität wird so angepasst, dass es die Spannungs-Dehnungslinien gemäß EC 3-1-2 im einachsigen Spannungszustand beschreibt. Es wird des Weiteren ein thermoelastisch-viskoplastisches Modell vorgestellt, das in der Lage ist, Kriechen und Relaxation bei Aufheiz- und Abkühlprozessen zu beschreiben. Die Struktur dieses Materialmodells wird so gewählt, dass die Parameter an hierfür geeigneten Messergebnissen leicht identifiziert werden können. Der deviatorische Anteil des Modells besteht aus einem geschwindigkeitsunabhängigen, plastischen Anteil und einem geschwindigkeitsabhängigen, viskoelastischen Anteil. Der geschwindigkeitsunabhängige, plastische Anteil wurde als Differentialgleichung auf Grundlage der so genannten endochronen Plastizitätstheorie formuliert. Die Parameter der Materialmodelle werden auf Grundlage der Messergebnisse stationärer Warmzugversuche an Baustahlproben identifiziert. Sowohl das nichtlinear-elastische EC 3-1-2-Materialmodell als auch das thermoelastisch-viskoplastische Materialmodell mit den an Baustahl angepassten Materialparametern wird numerisch für die Verwendung mit Finite-Elemente-Programmen aufbereitet und als UMAT-Subroutine für ABAQUS in der Programmiersprache FORTRAN implementiert. Hierbei wird insbesondere auf die Bereitstellung der konsistenten Tangentenoperatoren Wert gelegt, um eine effiziente numerische Berechnung bei Verwendung der Materialmodelle zu ermöglichen. Abschließend werden erste Simulationsrechnungen vorgestellt, um beispielhaft die Möglichkeiten der Anwendung der entwickelten und implementierten Materialmodelle für Simulationen von Stahlkonstruktionen im Brandfall aufzuzeigen. Stichworte: Brandschutz, Stahl, Brandverhalten, Finite-Elemente-Methode, Materialmodell, Eurocode 3-1-2, UMAT 1Ist das Materialverhalten abhängig von der Prozessgeschwindigkeit, wird es als geschwindigkeitsabhängig bezeichnet. Prozesse können sowohl dehnungs- als auch spannungs- oder temperaturgesteuert sein. Die Begriffe zeitabhängig und zeitunabhängig werden hier vermieden, da diese in der Materialwissenschaft mit Alterungsprozessen (’aging’) in Verbindung gebracht werden. N2 - The non-linear and rate-dependent2 material behaviour of steel becomes particularly visible at high temperatures. For finite-element-simulations of steel structures in the event of fire, plastic and rate- dependent material behaviour should therefore be described. With this in mind, this thesis looks at previous material investigations and makes suggestions for three-dimensional material models with the corresponding properties. The phenomenological properties of structural steel are analysed on the basis of a literature study, whereby increased attention is paid to the material behaviour under loads and heating processes, as can be expected in the event of fire. The stress-strain-relation of the EC 3-1-2 used for the design of steel structures is examined. The advantages of this description, but also the missing properties for the development of a continuum-mechanical material formulation, are shown. A non-linear-elastic continuum mechanical material model of the deformation theory of plasticity is adapted in such a way that it describes the stress-strain curves according to EC 3-1-2 in the state of uniaxial stress. Furthermore, a thermoelastic-viscoplastic model is presented which is able to describe creep and relaxation during heating and cooling processes. The structure of this material model is chosen in such a way that the parameters can be easily identified using certain measurement results. The deviatoric part of the model consists of a rate-independent, plastic part and a rate-dependent, vis- coelastic part. The rate-independent, plastic part was formulated as a differential equation based on the endochronic theory of plasticity. The parameters of this material model are identified on the basis of the measurement results of stationary hot tensile tests on structural steel specimens. Both the non-linear-elastic EC 3-1-2 material model and the thermoelastic-viscoplastic material model with the material parameters adapted to mild steel are prepared numerically for use with finite- element-programs and implemented as UMAT-subroutines for ABAQUS in the FORTRAN code. Particular emphasis is placed on the provision of consistent tangent operators to enable efficient numerical calculation when using the material models. Finally, first finite-element-simulations are presented in order to show the possibilities of the deve- loped and implemented material models for simulations of steel constructions in case of fire. Keywords: Fire prevention, steel, fire behaviour, finite element method, material model, Eurocode 3- 1-2, UMAT 2 If the material behaviour is dependent on the process rate, it is referred to as rate-dependent. Processes can be controlled by strain, stress or temperature. The terms time-dependent and time-independent are avoided here, as these are associated with aging in materials science. T3 - BAM Dissertationsreihe - 167 KW - Brandschutz KW - Stahl KW - Brandverhalten KW - Finite-Elemente-Methode KW - Materialmodell KW - Eurocode 3-1-2 KW - UMAT KW - Fire prevention KW - Steel KW - Fire behaviour KW - Finite element method KW - Material model KW - Eurocode 3-1-2 KW - UMAT PY - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-507662 SN - 1613-4249 VL - 167 SP - i EP - 206 PB - Bundesanstalt für Materailforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-50766 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kaudelka, Sven T1 - Untersuchungen zur Brandentstehung und Brandausbreitung in Wohnungen N2 - Zur Bedarfsplanung von Feuerwehren in Städten in der Bundesrepublik Deutschland wurden im Jahr 1998 die Qualitätskriterien Hilfsfrist, Funktionsstärke und Erreichungsgrad für ein standardisiertes Schadensereignis erarbeitet. Das standardisierte Schadensereignis basiert auf Ergebnissen der O.R.B.I.T.-Studie aus dem Jahr 1978. Der dort dargestellte Rauchgas-temperaturverlauf für einen standardisierten Wohnungsbrand stellt Ergebnisse von Brandversuchen in einer Wohnung aus dem Jahr 1939 dar. Die zur Untersuchung herangezogenen Einrichtungsgegenstände bestanden dabei überwiegend aus cellulosehaltigen Materialien wie Holz und Papier. Die zunehmende Verwendung von Werkstoffen auf der Basis von Holz und Polymeren führt jedoch zu einer veränderten stofflichen Zusammensetzung von Einrichtungsgegenständen in Wohnungen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss dieser veränderten stofflichen Zusammensetzung von gegenwärtigen Einrichtungsgegenständen auf den Verlauf von Raumbränden sowie auf die damit verbundene Stoff- und Energiefreisetzung während der Brandentstehungs- und Brandausbreitungsphase untersucht. Im Fokus der Untersuchung stand der Raum der Brandentstehung sowie ein angrenzender Raum. Die Ergebnisse zeigen, dass gegenwärtige Einrichtungsgegenstände sowohl im Raum der Brandentstehung als auch in dem angrenzenden Raum zu höheren Rauchgastemperaturen und -konzentrationen führen. Grund hierfür sind neben den höheren Wärmefreisetzungsraten auch die höheren Stoffausbeuten der in den gegenwärtige Einrichtungsgegenständen verwendeten Materialzusammensetzungen. Vor diesem Hintergrund zeigt sich, dass sich die auf Basis der O.R.B.I.T.-Studie definierten Standards nicht mehr als Grundlage zur Bedarfsplanung von Feuerwehren eignen. Diese können mit Hilfe der vorliegenden Ergebnisse einer Prüfung unterzogen werden, um den veränderten Brandverläufen im Rahmen einer zukünftigen Bedarfsplanung gerecht zu werden. N2 - In 1998 the quality criterias auxiliary period, functional force and degree of achievement for a standardized damage event were developed for the demand planning of fire brigades in cities in the Federal Republic of Germany. The definition of the standardized damage event is based on the results of the O.R.B.I.T.-study from 1978. The temperature-time curve for a standardized apartment fire presented in the above-mentioned definition study represents results of fire tests in an apartment from 1939. The furniture used for the investigation consisted mainly of cellulosic materials like wood and paper. However the increasing use of materials based on wood and polymers leads to an altered material composition of furniture in apartments. In the present dissertation the influence of this altered material composition of current furniture on the course of a fire in an apartment as well as on the associated mass and energy release during the ignition of a fire and fire propagation was investigated. The investigation focused on the room where the fire starts and on an adjacent room. As a result, it has been found that current furniture, both in the room where the fire starts and in an adjacent room, results in higher gas temperatures and higher gas concentrations. This is due to the higher heat release rates as well as the higher yields of the material compositions used in current furniture. Against this background, it becomes clear that the standards that were defined in the O.R.B.I.T.-study can no longer serve as the basis for demand planning of fire brigades. These should be reviewed with the help of the present results in order to adapt future demand planning to changing fire scenarios. T3 - BAM Dissertationsreihe - 164 KW - Stoffausbeute KW - Brandschutz KW - Brandentstehung KW - Brandausbreitung KW - Wärmefreisetzungsrate KW - Effektive Verbrennungswärme PY - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-479325 SN - 1613-4249 VL - 164 SP - I EP - 234 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-47932 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Häßler, Dustin T1 - Verhalten reaktiver Brandschutzsysteme auf kreisförmigen Zuggliedern aus Blank- und Baustahl N2 - Im Bauwesen werden Zugglieder aus Stahl in der Regel für Aussteifungsverbände, Abhängungen und Unterspannungen von Trägern verwendet. Die dafür verbauten, meist kreisförmigen Vollprofile dienen häufig der Stabilisierung des Tragwerks. Ein Versagen der Stahlzugglieder kann zu einem Einsturz der gesamten Konstruktion führen. Unter Brandeinwirkung verlieren ungeschützte Stahlkonstruktionen aufgrund der schnellen Erwärmung frühzeitig ihre Tragfähigkeit. Durch den Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlbauteilen kann deren Erwärmung verlangsamt und dadurch der Feuerwiderstand verbessert werden. Die Optik der oftmals filigranen Stahlzugglieder bleibt dabei im Wesentlichen unverändert. Für die Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit Vollquerschnitt gibt es derzeit in den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen keine Regelungen. Die an der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen [35] sowie die darauf aufbauenden Erkenntnisse dieser Dissertation hinsichtlich des Verhaltens reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil bilden die Grundlage für eine Erweiterung des Anwendungsbereiches dieser Produkte. Eine Anwendung ist grundsätzlich möglich. Aufgrund der meist für Zugglieder eingesetzten filigranen Vollquerschnitte sowie der in Bezug auf die Tragfähigkeit fehlenden Umlagerungsmöglichkeit werden besonders hohe Anforderungen an die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit von reaktiven Brandschutzsystemen gestellt. Anhand der Ergebnisse aus den Brandversuchen sowie theoretischer Betrachtungen ist festzustellen, dass das auf kreisförmigen, zugbeanspruchten Stahlprofilen aufgebrachte reaktive Brandschutzsystem aufgrund der notwendigen dreidimensionalen Ausdehnungsrichtung der höchst möglichen Beanspruchung ausgesetzt ist. Mit Hilfe von Leistungskriterien zur Bestimmung der Tragfähigkeit, welche im Rahmen der Dissertation entwickelt wurden, lassen sich die in Brandversuchen unter axialer Zugbeanspruchung getesteten Stahlzugglieder mit reaktiver Brandschutzbeschichtung in Feuerwiderstandsklassen einordnen. Für die Beurteilung der thermischen Schutzwirkung des reaktiven Brandschutzsystems werden die Erwärmungsgeschwindigkeit, die maximale Stahltemperatur sowie die Rissbildung und das Rissheilungsvermögen der Beschichtung herangezogen. Die Brandversuche haben gezeigt, dass die Profilgeometrie, die Höhe der Trockenschichtdicke der Beschichtung, die Höhe der aufgebrachten Zugbeanspruchung sowie die Orientierungsrichtung der Zugglieder einen wesentlichen Einfluss auf die thermische Schutzwirkung des reaktiven Brandschutzsystems ausüben. Zudem stehen diese Faktoren in gegenseitiger Wechselwirkung. Durch Abstimmung der genannten Einflussgrößen lässt sich die Wirkung der Brandschutzbeschichtung optimieren. Durch die Vielzahl an reaktiven Brandschutzsystemen und die in den Produkten variierende chemische Zusammensetzung ist deren Aufschäumverhalten und thermische Schutzwirkung sehr unterschiedlich und kaum vorhersagbar. Die Wirksamkeit des reaktiven Brandschutzsystems ist daher für Grenzfälle des vom Hersteller definierten Anwendungsbereichs durch Brandversuche zu überprüfen. Empfehlungen zur Durchführung dieser Versuche sind im Forschungsbericht [35] beschrieben. Bei Verwendung von kaltverformtem Blankstahl für Stahlzugglieder mit Vollprofil sind andere Hochtemperatureigenschaften als bei dem typischerweise für Träger und Stützen eingesetzten warmgewalztem Baustahl zu berücksichtigen. Kaltverformter Blankstahl weist gegenüber herkömmlichem Baustahl einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient und andere temperaturabhängige Abminderungsfaktoren für die Stahlfestigkeit auf. Die in experimentellen Untersuchungen für Blankstahl ermittelten Materialeigenschaften können für die Heißbemessung von Zuggliedern mit Vollprofil aus entsprechendem Material verwendet werden. In Kombination mit Temperaturdaten aus Brandversuchen lässt sich mittels eines auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelten numerischen Berechnungsmodells das Trag- und Verformungsverhalten von Zuggliedern realitätsnah berechnen. Vergleiche zur Stablängsverformung von in Brandversuchen getesteten Zuggliedern zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus dem im Rahmen der Dissertation neu entwickelten Bemessungsmodell. T3 - BAM Dissertationsreihe - 149 KW - Brandschutz KW - Stahl KW - Reaktive Brandschutzsysteme KW - Numerische Simulation KW - Brandversuche KW - Materialuntersuchung PY - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-371495 SN - 978-3-9817853-4-0 SN - 1613-4249 VL - 149 SP - 1 EP - 226 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-37149 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Pistol, Klaus T1 - Wirkungsweise von Polypropylen-Fasern in brandbeanspruchtem Hochleistungsbeton N2 - Das Hauptanliegen der Arbeit besteht in der experimentellen Erforschung der faserbedingten mikrostrukturellen Schädigungsprozesse in brandbeanspruchtem HPC. Dazu werden das thermische Degradationsverhalten von Polypropylen-Fasern (PP-Fasern) mithilfe thermoanalytischer Verfahren aus der Polymerforschung untersucht und die Wechselwirkung der schmelzenden PP-Fasern mit dem umgebenden Betongefüge unter Verwendung hochtemperaturmikroskopischer Methoden analysiert. Des Weiteren werden erstmalig akustische und röntgentomographische Methoden zur zerstörungsfreien Untersuchung der Rissgenese in thermisch beanspruchten Betonproben kombiniert. Zur Validierung der Ergebnisse und zur Visualisierung von mikroskopischen Morphologieänderungen im Faserbereich werden ergänzend Bruchflächen von thermisch geschädigten Proben rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die thermische Degradation der PP-Fasern zwischen 160 und 350 °C Kapillarröhren entstehen, die durch eine bei ca. 160 °C einsetzende Mikrorissbildung netzartig verbunden werden. Durch die Mikrorissbildung werden Spannungen im Mikrogefüge des Betons abgebaut (thermomechanischer Effekt) und die Ausbildung eines netzartig verbundenen Transportwegesystems für den ausströmenden Wasserdampf (thermohydraulischer Effekt) ermöglicht. Als Synthese und Abschluss der Arbeit werden zwei Modelle entwickelt, in denen die theoretisch und experimentell gewonnenen Erkenntnisse für die Beschreibung der Wirkungsmechanismen von PP-Fasern zusammenfließen. In einem mikroporomechanischen Modell werden alle an dem Wirkmechanismus der PP-Fasern beteiligten Prozesse den Strukturelementen des Betons (Feststoff, Fluide und Porenraum) zugeordnet. Für eine weitere modellhafte Beschreibung der Wirkungsweise von PP-Fasern wird in einem einfachen thermodynamischen Modell der wassergefüllte Porenraum von HPC als thermodynamisch geschlossenes System idealisiert, bei dem das den Porenraum umgebende Feststoffgerüst die thermodynamische Systemgrenze bildet. Bei dieser Modellvorstellung wird anhand eines Temperatur-Entropie-Diagramms für Wasser gezeigt, dass durch die rissbedingte Öffnung der thermodynamischen Systemgrenze ab ca. 160 °C der thermodynamische Zustand des Porenwasser beeinflusst wird, so dass das Porenwasser bereits bei vergleichsweise niedrigem Druck und niedriger Temperatur vollständig verdampft, ohne den kritischen Grenzdruck von ca. 5 MPa (Zugfestigkeit des Betons) zu erreichen. N2 - The majority of this thesis deals with experimental investigations of Polypropylene fibre (PPfibre) induced microstructural damage processes in fire exposed HPC. For this purpose, the thermal degradation of PP-fibres is investigated by means of thermoanalytical techniques used for polymers. The interaction of the melting PP-fibres with the surrounding cement Matrix is analysed using high-temperature microscopy techniques. Furthermore, acoustic methods as well as x-ray computed tomography are combined for the first time for the nondestructive analysis of the crack formation in heated concrete samples. Additionally, fracture surfaces of thermally damaged samples are investigated by scanning electron microscopy in order to validate the results and to visualize morphological changes in the fibre region. The obtained results show that the thermal decomposition of the PP-fibres between 160 and 350 °C causes the formation of capillary tubes, which are connected by the simultaneous formation of micro-cracks at 160 °C. This enables the relief of micromechanical stresses in heated concrete (thermo-mechanical effect) and the formation of a permeable net-like transport system for the evaporating water (thermo-hydraulic effect). Combining the theoretical and experimental acquired results two models are developed as a synthesis and conclusion of the presented thesis. In a microporomechanical model all processes which are involved in the mode of action of the PP-fibers are related to the basic elements of the microstructure of concrete (solid, fluids and pore space). A further thermodynamic model idealizes the water filled pore spaces of HPC as a closed thermodynamic system. The pore space enclosing the cement matrix represents the boundary of the thermodynamic system. As a result of the micro crack formation at approximately 160 °C the boundary of the system is opening. On the basis of a Temperature-Entropy-Diagram it can be shown that due to the microcracking the thermodynamic state of the pore water is influenced. Thus, the pore water fully evaporates at a comparatively low pressure and temperature without exceeding the critical pressure of 5 MPa (tensile strength of concrete). T3 - BAM Dissertationsreihe - 146 KW - Mikrostruktur KW - Hochleistungsbeton KW - Polypropylen-Fasern KW - Brandschutz KW - Abplatzungen PY - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-357349 SN - 978-3-9817502-8-7 SN - 1613-4249 VL - 146 SP - 1 EP - 111 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-35734 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -