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Kontinuumsmechanische Werkstoffmodelle zur numerischen Simulation von Stahlbauteilen im Brandfall

  • 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. EinDas 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.zeige mehrzeige weniger
  • 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 theoryThe 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.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:Sebastian Hauswaldt
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (167)
Sprache:Deutsch
Titel des übergeordneten Werkes (Deutsch):BAM-Dissertationsreihe
Jahr der Erstveröffentlichung:2020
Organisationseinheit der BAM:7 Bauwerkssicherheit
7 Bauwerkssicherheit / 7.3 Brandingenieurwesen
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie
Gutachter/innen:P. Schaumann, S. Hartmann, N. A. Fouad, U. Nackenhorst
Datum der Abschlussprüfung:27.09.2018
Verlag:Bundesanstalt für Materailforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:167
Erste Seite:i
Letzte Seite:206
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurbau
Freie Schlagwörter:Brandschutz; Brandverhalten; Eurocode 3-1-2; Finite-Elemente-Methode; Materialmodell; Stahl; UMAT
Eurocode 3-1-2; Finite element method; Fire behaviour; Fire prevention; Material model; Steel; UMAT
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Infrastruktur
Infrastruktur / Fire Science
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-507662
ISSN:1613-4249
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
Datum der Freischaltung:13.05.2020
Referierte Publikation:Nein