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Die Bemessungsnorm für Stahlbeton- und Spannbetontragwerke DIN EN 1992-1-2 (EC 2-1-2) erlaubt die Anwendung von vereinfachten und allgemeinen Rechenverfahren für den Tragfähigkeitsnachweis im Brandfall (Heißbemessung). Als Grundlage für die Heißbemessung werden für Normalbeton und für Hochfesten Beton temperaturabhängige Spannungs-Dehnungs-Beziehungen angegeben, mit denen der Festigkeits- und Steifigkeitsverlust von Beton bei zunehmender Temperatur berücksichtigt wird. Im vorliegenden Aufsatz wird herausgearbeitet, dass die aktuelle betontechnologische Entwicklung und die damit einhergehende Diversifizierung in der stofflichen Zusammensetzung neuartiger Betone bei der Heißbemessung berücksichtigt werden muss. Die in dem Beitrag zusammengestellten temperaturabhängigen Druckfestigkeiten neuartiger Betone verdeutlichen den Einfluss der stofflichen Zusammensetzung auf das Hochtemperaturverhalten von Beton.
Spannbeton-Hohlplatten (engl.: Hollow Core Slabs, HC-Platten) werden insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen als Deckensysteme im Hochbau eingesetzt. Bei einem 2007 aufgetretenen Brandereignis in einem Parkhaus in Rotterdam kam es zu einer teilweisen Ablösung des unteren Plattenspiegels. Dies hatte eine europaweite Diskussion zur brandschutztechnischen Bewertung dieser Bauart zur Folge. Mittlerweile liegen eine Vielzahl von gutachterlichen Stellungnahmen, Literaturauswertungen und auch jüngeren Forschungsarbeiten zum Feuerwiderstand von Konstruktionen aus Spannbeton-Hohlplatten vor. In den Untersuchungen wurde unter anderem das Tragverhalten von HC-Platten bei starrer Auflagerung, insbesondere hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit, analysiert. Ein weiterer, bei der Prüfung und Bewertung von Spannbeton-Hohlplatten bisher kaum beachteter Aspekt ist die im Brandfall auftretende Behinderung der Querdehnung. In der Praxis kann für HC-Platten eine Querdehnungsbehinderung im Brandfall auftreten, wenn beispielsweise eine sehr steife Begrenzung des brandbeanspruchten Deckenbereichs vorliegt, z. B. durch Treppenhauskerne oder auch durch umgebende Deckenfelder bei lokaler Brandbeanspruchung. Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurden an der BAM entsprechende experimentelle und numerische Untersuchungen an Deckenfeldern aus Spannbeton-Hohlplatten mit unterschiedlicher seitlicher Zwängung durchgeführt. Im Beitrag werden die im Realmaßstab durchgeführten Brandversuche ausführlich beschrieben und deren Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse vorgestellt. Die an der BAM durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einer Zunahme der seitlichen Zwängung die Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu- und die Längsrissbildung abnimmt. Trotz der ausgeprägten Horizontalrissbildung kam es in den Brandversuchen nicht zu- einer Ablösung des unteren Plattenspiegels. Ebenso zeigte sich kein negativer Einfluss der Horizontalrisse auf das Trag- und Verformungsverhalten der brandbeanspruchten Deckenkonstruktion. Die Ergebnisse aus den Brandversuchen stehen zukünftig zur Validierung numerischer Modelle zur Verfügung.
Im Stahlbau wird die feuerwiderstandserhöhende Wirkung reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) bereits seit Jahrzehnten erfolgreich und mit stetig wachsender Nachfrage genutzt. Die Anwendung dieser Systeme wird durch Zulassungen geregelt. Die Ermittlung des Beitrages reaktiver Brandschutzsysteme zur Feuerwiderstandsdauer von Stahlbauteilen wird in der Regel mit Hilfe von mechanisch belasteten und unbelasteten Brandversuchen beurteilt. Ein entsprechendes Prüf- und Bewertungsverfahren war bisher für Träger und Stützen, jedoch nicht für Zugglieder vorhanden. Mehrjährige Forschungen, haben in Deutschland zur Entwicklung eines neuen Prüf- und Bewertungsverfahrens geführt, so dass der durch Zulassungen geregelte Anwendungsbereich reaktiver Brandschutzsysteme auf filigrane Stahlzugglieder, insbesondere mit Vollprofil, erweitert werden konnte. Der Beitrag beschreibt die Besonderheiten und Herausforderungen für den Einsatz von reaktiven Brandschutzsystemen auf filigranen Stahlzuggliedern, die wesentlichen Einflussparameter sowie die maßgebenden Versagensmechanismen. Ferner wird gezeigt, wie anhand von Brandversuchen, Materialuntersuchungen im Hochtemperaturbereich und numerischen Simulationen das neue Prüf- und Bewertungsverfahren entwickelt, validiert und angewendet wurde. Abschließend erfolgt ein Ausblick auf noch zu untersuchende Fragestellungen, z. B. hinsichtlich der Bauteilorientierung sowie zum Umgang mit den Anschlussbauteilen von Stahlzuggliedern.
Zur brandschutztechnischen Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen werden reaktive Brandschutzsysteme aufgrund der geringen Beschichtungsdicken und der profilfolgenden Applikation in zunehmendem Maße eingesetzt. Da die für Zugstabsysteme eingesetzten Bauteile meist eine stark konvex gekrümmte Oberfläche aufweisen und der Anschlussbereich über eine vergleichsweise komplexe Geometrie verfügt, stellt dies besonders hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von reaktiven Brandschutzsystemen. Anhand von realmaßstäblichen Brandversuchen wurden das Aufschäumungs- und Rissverhalten, der Einfluss der Trockenschichtdicke, die Erwärmung der einzelnen Stahlbauteile sowie der Einfluss der Bauteilorientierung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Abnahme der Oberflächenkrümmung oder eine Erhöhung der Massenkonzentration der Stahlbauteile zu einer geringeren Aufheizrate des Stahls führt. Darüber hinaus ist festzustellen, dass die Leistungsfähigkeit des reaktiven Brandschutzsystems von der Bauteilorientierung der Zugstabsysteme beeinflusst wird. Die durchgeführten Brandversuche können zur Entwicklung geeigneter Prüfszenarien für die Beurteilung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Zugstabsystemen und deren Anschlusskonstruktionen verwendet werden, wodurch eine Erweiterung des zulassungsbasierten Anwendungsbereichs ermöglicht wird.
Die Erkenntnisse zu reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) werden kontinuierlich erweitert, was sich in der Entwicklung neuer Produkte und der Ausweitung des durch technische Regelungen abgedeckten Anwendungsbereichs äußert. Der hier vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Verwendung von RBS auf Stahlkonstruktionen. In den vergangenen zehn Jahren wurden, abgesichert durch neue Erkenntnisse aus der Forschung, die Anwendung auf Stahlzuggliedern mit offenem Profil präzisiert und im Rahmen allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassungen (abZ) neu geregelt. Ferner wurde die Grundlage geschaffen, die Anwendung von RBS auf Zuggliedern mit kreisrundem Vollprofil zu bewerten und auf Basis der abZ zu ermöglichen. Neben einer umfassenden Darstellung der aktuellen nationalen und europäischen Regelungen zu RBS, werden technologische Besonderheiten und deren Einfluss auf den Regelungsinhalt im Beitrag thematisiert. In der jüngsten Vergangenheit stellt sich mit zunehmender Dringlichkeit die Frage nach der Bewertung der Dauerhaftigkeit von RBS für lange Zeiträume, wobei damit Nutzungsdauern weit jenseits der in den nationalen und europäischen Regelungen bereits etablierten 10 Jahre gemeint sind. In diesem Zusammenhang ist zu klären, wie der Feuerwiderstand von Konstruktionen zu bewerten ist, die bereits über lange Zeiträume mit RBS versehen sind.
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.
Reaktive Brandschutzsysteme können die Feuerwiderstandsdauer von Stahlbauteilen signifikant erhöhen. Im Brandfall schäumt das reaktive Brandschutzsystem auf und bildet um das Stahlbauteil eine thermische Schutzschicht aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der temperaturbedingte Festigkeitsverlust verzögert. Reaktive Brandschutzsysteme werden überwiegend in drei Bereichen angewendet: Hochbau, Offshore bzw. maritimer Sektor sowie Tank- bzw. Behälterbau. Insbesondere bei Stahltanks und -behältern sind häufig einfach oder auch doppelt gekrümmte Bauteiloberflächen anzutreffen. Aufgrund des meist begrenzten seitlichen Expansionsvermögens von reaktiven Brandschutzsystemen kann es bei Bauteilen mit konvexer Oberflächenkrümmung zu einer Intensivierung der Rissbildung im Schaum kommen, wodurch sich häufig die thermische Schutzwirkung verschlechtert. Da zum Thema des Einflusses der Oberflächenkrümmung auf die Leistungsfähigkeit reaktiver Brandschutzsysteme bisher kaum Untersuchungen vorliegen, wurden exemplarisch zwei Tankböden mit zwei verschiedenen Trockenschichtdicken eines reaktiven Brandschutzsystems einer Brandprüfung unterzogen. Bei gleicher Trockenschichtdicke des reaktiven Brandschutzsystems zeigten die Tankböden eine wesentlich schnellere Erwärmung als ebene Stahlplatten mit vergleichbarem Profilfaktor. Die Brandprüfungen und die Ergebnisse zum Einfluss der Oberflächenkrümmung werden im Beitrag ausführlich vorgestellt und diskutiert.
Kontinuumsmechanische Werkstoffmodelle zur numerischen Simulation von Stahlbauteilen im Brandfall
(2020)
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.