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Organisationseinheit der BAM
The application of intumescent coatings for fire protection of steel constructions is increasing.
Thanks to the relative thin thickness of the coatings, the typical visual appearance of the
structures can be preserved. In Germany, the applicability of the systems is regulated by the
national as well as European technical approvals. According to the approvals, the application
on steel members in tension is only allowed with limitations. Especially, the application on
solid steel rods in tension is currently not covered. The paper will explain the actual state of
the art of the application of reactive fire protection systems applied to steel structures.
Physical and technical background information will be provided. After that, the latest
scientific results of an on-going research project funded by the German National Institute of
Building Technology (DIBt) and conducted by the Federal Institute for Materials Research
and Testing (BAM) will be described.
Die Verwendung von Endlosfilamenten aus Carbon als Be-wehrungsmaterial für Beton, sogenannter Textilbeton, bietet die Möglichkeit der Sanierung und der Verstärkung bestehender Stahlbetonkonstruktionen. Dabei muss die Frage nach dem Feuerwiderstand von derart verstärkten Tragwerken be-antwortet werden. Aufschluss darüber liefern Brandversuche. Mit Textilbeton verstärkte Stahlbetonplatten haben in Brandversuchen nach der Einheits-Temperaturzeitkurve bei 33 % der Traglast mehr als 60 Minuten standgehalten. Bei 50 % der Traglast kam es nach einer Branddauer von 55 Minuten, bei 65 % nach 30 Minuten, zu einem Zugversagen der textilen Verstärkungsschicht. Bei während des Brandes unbelasteten bzw. gering belasteten Platten lagen die im Anschluss ermittelten Resttragfähigkeiten bei 65 % der Bruchlast nach 30 Minu-ten Branddauer bzw. bei 50 % der Bruchlast nach 60 Minuten Branddauer. Wäh-rend und nach der Beflammung waren zunehmende Durchbiegungen und Rissbreiten erkennbar. Es traten aber keine Abplatzungen auf, weshalb die Ver-stärkungsschicht aus Textilbeton als zusätzliche Betondeckung für die Stahlbe-wehrung angerechnet werden kann. Diese außerordentlich positiven Ergebnisse zeigen, dass für verstärkte Konstruktionen Feuerwiderstandsklassen von F60 bzw. R60 ohne zusätzliche Maßnahmen erreicht werden können. Dies ist von ho-her Relevanz für die wirtschaftliche Anwendung dieser Verstärkungsmethode. Für ein umfassendes Verständnis der Interaktion zwischen den Bewehrungen Textil und Stahl sowie der Versagensmechanismen während des Brandes, sind weitere Erkenntnisse über die mechanischen Eigenschaften von Textilbeton im Hochtemperaturbereich nötig. Auch der Einfluss der Oxidation des Carbons konnte nicht abschließend beurteilt werden. 354 HOTHAN und EHLIG: Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonplatten mit TRC-Verstärkung Summary: Using endless carbon filaments for concrete reinforcement, so called textile reinforced concrete, the possibility of reconstruction and strengthening of existing concrete structures arises. The question concerning fire resistance of structures strengthened like this has to be answered. Fire tests provide answers. Steel reinforced concrete slabs strengthened with textile reinforced concrete load-ed with 33 % of ultimate load survived an ISO-fire for 60 minutes. Loaded with 50 % and 65 % of ultimate load the slabs failed after 55 minutes and 30 minutes of fire exposure due to tension failure of the textile reinforcement layer. Slabs not loaded or with a low load level during fire exposure showed remaining bearing resistances of 65 % of ultimate load after 30 minutes and 50 % of ultimate load after 60 minutes of fire exposure. During and after fire exposure rising deflec-tions and growing crack widths were observed. However no spalling occurred. Therefore the textile reinforced concrete layer can be taken into account as con-crete covering for the steel reinforcement. Those extraordinary positive results document, that reinforced concrete structures with additional fibre reinforced concrete can achieve fire resistance classes of R60 without additional provisions. To achieve comprehensive understanding of interaction between steel and fibre reinforcement and failure mechanisms in case of fire more knowledge concerning the mechanic properties of fibre reinforced concrete at high temperatures is es-sential. The influence of oxidation of the carbon fibres could not fully be an-swered.
Thin layers of textile reinforced concrete (TRC) can be used as strengthening for reinforced concrete (RC) slabs or beams to increase their foad-bearing capacity. The concrete matrix consists of a fine-grained concrete with a thickness of 8 to 15 mm. Information on the behaviour of strengthened structures subjected to fire is of particular inlerest for practical applications of this innovative construction method. A total of 7 RC slabs with Steel reinforcement were produced: 2 slabs were used as reference and 5 slabs were strengthened with three layers of textile reinforcement. Ultimate capacity of reference slabs and particular TRC strengthened slabs was determined from statie load results fom 4-point-bending tests.
Fire tests on these slabs were carried out with utilization fectors using a Standard temperature curve (ISO-834-1) for fire testing. Test loads varied between 0 % and 65 % ofuMmate load.
To detect temperatures during fire exposure thermocouples were arranged throughout the cross-section of the slabs. Depending on the utilization the slabs were exposed to fire for 30 minutes or for 60 minutes. In some cases bending fäilure occurred, in other cases the slabs survived. None of the specimens exhibited any visual damage or concrete spalling during fire exposure. Results of deformation measurements and residual strength measurements are presented. Even though mechanisms are not fifily understood, it is important to discuss the presumable reasons for the surprisingiy positive test results. It is presumed tbat the key mechanisms contributing to the outstanding fire resistance capability presented are: superior crack control of the TRC and load redistribution between textile and Steel reinforcement as well as the primary load transfer directly into the slabs.
Beton, als aktuell am meisten verwendeter Baustoff ist nicht brennbar und weist zudem eine sehr geringe Temperaturleitfähigkeit auf. Er eignet sich somit gut für den baulichen Brandschutz. Jedoch neigt Beton im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und sogar zum Versagen des Bauteils führen können. Derzeit werden thermomechanische und thermohydraulische Schädigungsprozesse als die zwei maßgeblichen Ursachen für explosionsartige Abplatzungen angesehen. Diese Schädigungsprozesse sind unter anderem abhängig von der Prüfkörpergröße, dem Wasser-Zement-Wert, der Porosität, der Permeabilität und dem Bewehrungsgrad des Bauteils.
Im Rahmen des Vortrags werden die Forschungsarbeiten zum Maßstabseffekt des Abplatzverhaltens von Betonen bei Brandbeanspruchung präsentiert. Zu diesem Zweck wurden Betonprüfkörper aus sechs verschiedenen Betonmischungen in jeweils drei Prüfkörpergrößen einseitig, ohne Behinderung der thermischen Ausdehnung und ohne externe Last im Tunnelbrandprüfstand der BAM untersucht. Dieser unikale Prüfstand ermöglicht die Brandprüfung unterschiedlicher Prüfkörpergrößen unter vergleichbaren Brandbedingungen sowie die simultane Prüfung mehrerer kleinformatiger Betonprüfkörper. Das präsentierte, laufende Promotionsvorhaben basiert auf einem von der DFG geförderten Forschungsvorhaben und darauf aufbauenden Folgeuntersuchungen.
Die Ergebnisse des DFG-Vorhabens zeigen einen deutlichen Maßstabseffekt mit einer starken Verringerung der Abplatztiefen bei einer Reduzierung der Prüfkörpergröße. Des Weiteren ist das Abplatzverhalten stark von der Betonmischung abhängig. Vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung und Kostenreduzierung verfolgen die auf dem DFG-Vorhaben aufbauenden Untersuchungen das Ziel, das Abplatzverhalten großformatiger Betonprüfkörper durch kleinformatige Betonprüfkörper mit angepassten Randbedingungen nachzustellen. Hierfür wurden zwei Betonmischungen des DFG-Vorhabens verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Anpassung der Versuchsrandbedingungen dem Maßstabseffekt entgegengewirkt werden kann.
Investigating the spalling behaviour of a concrete mixture using large scale members is complex and expensive. Thus, the susceptibility of concrete to spalling is investigated by means of fire tests on small scale 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 impact of the thermomechanical and thermohydraulic damage mechanisms and therefore, lower the risk of spalling. Thus, the influence of different restraints on the spalling behaviour of intermediate scaled specimens (Ø=0.47 m; h=0.29 m) was investigated for two ordinary concrete mixtures. Both mixtures had the same composition except the type of aggregate. One mixture contained only quartzitic aggregates, whereas the other mixture was made with basalt grit as coarse aggregates. Applied steel rings restrained the thermal expansion of the specimen and prevented the loss of water, whereas applied steel sheet primarily reduced the loss of water during the fire test. Additionally, the fire exposed surface of one specimen of each mixture was pre-dried under controlled climate conditions and fire tested with applied steel rings. The results show a higher spalling volume for the ring restrained specimens compared to the other covering types. Further, the pre-dried boundary zone leads to delayed and decreased occurrence of spalling compared to the non-dried specimens for the concrete with quartzitic aggregates and to a prevention of spalling for the mixture with basalt aggregates. Additionally, the results show that the influence of the thermomechanical behaviour of the coarse aggregates increases with increasing restraint. The restrained conditions of the specimens with applied steel ring are comparable to the conditions in the centre of a large scale member. This test series is a further step for possible concept of steel ring restraint concrete specimens as “screening-tests” in upcoming projects.
Intumescent coatings are used in civil engineering to improve the fire resistance of steel constructions. Due to the thin coating thickness and the profile-following application, the architectural appearance of the steel structure can be preserved. EN 13381-8 provides regulations to determine the contribution to the fire resistance of intumescent coatings applied to steel beams and columns. The scope of this standard excludes tension members and steel members with solid sections. For products that have already been successfully tested and assessed on beams and columns, EN 13381-10 offers the possibility based on unloaded fire tests to extend the scope of application of intumescent coatings to tension bars with solid sections. This approach contradicts the national safety level in Germany, where mechanically loaded testing is mandatory. Therefore, a new part of the test standard series EN 13381 is currently developed to enable the application of intumescent coatings on steel tension bars with solid section based on mechanically loaded fire tests. BAM has already carried out numerous fire tests on loaded steel tension members with intumescent coatings. Currently, in the BAM research project FIRESTEMIC, the influence of the steel bar orientation and the profile type on the thermal performance of intumescent coatings are investigated. Both questions concerning the thermal protection ability of intumescent coatings were analysed based on three different test sets, which were carried out in the tension furnace (Fig. 1a). The fire exposure corresponds to the standard temperature-time curve according to EN 1363-1.
This paper summarises the main findings from the fire tests conducted in the FIRESTEMIC project. The results serve as an experimental background for the proposal of the new standard. Regarding the bar orientation, a new test setup was developed and proposed for the new standard. The two tested commercial water-based intumescent coatings with applied dry film thickness from 1.5 mm to 2.5 mm showed only a slight dependence on the bar orientation. In terms of the steel profile type, circular and rectangular solid sections with identical section factor and applied dry film thickness were tested. It was observed that the circular solid bars with diameter 30 mm heat up faster compared to the solid rectangular bars with dimension 30×30 mm (Fig. 1b). Also at larger steel bars, i.e. diameter 40 mm and dimension 40×40 mm, the same trend occurred. Thus, it is recommended for the new test standard to allow a transfer of the test results from circular to rectangular solid sections. In addition, the paper will describe and explain the test and assessment procedure proposed for the newly developed standard.
Der Beitrag stellt experimentelle Untersuchungen zum Feuerwiderstand von Carbonzuggliedern vor. Die Anwendung von Zuggliedern aus Carbon ist durch die außergewöhnlich gute Ermüdungs- sowie hohe Zugfestigkeit des Werkstoffs motiviert. Ferner ergibt sich gegenüber Stahl eine deutliche Reduzierung des Querschnitts. Perspektivisch sollen damit Stahlzugglieder im Netzwerkbogenbrückenbau ersetzt werden. Durch die Materialsubstitution werden Ressourcen nicht nur beim Zugglied selbst, sondern auch am Gesamttragwerk der Brücke eingespart. Da zum Tragverhalten von Carbonzuggliedern im Brandfall bislang keine Erkenntnisse vorliegen, sollen mit Hilfe von Bauteilbrandversuchen die Versagensmechanismen sowie die grundsätzliche Gleichwertigkeit gegenüber konventionellen Stahlhängern untersucht werden.
Der Beitrag beschreibt die Durchführung und die Ergebnisse von Brandversuchen an mechanisch belasteten Carbonzuggliedern. Die realmaßstäblichen Versuche werden am unikalen Zugbauteil-prüfofen der BAM im Mai 2022 durchgeführt. Das Versuchsprogramm umfasst vier Carbonzugglieder mit kreisrunden Querschnitten in zwei verschiedenen Durchmessern, ⌀36 mm und ⌀51 mm. Aus Gründen der Vergleichbarkeit erfolgt die Brandbeanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK). Während des Brandversuches wird die axiale Prüfkraft von 750 kN bzw. 1500 kN bis zum Eintreten des Probenversagens konstant gehalten. Zusätzlich werden die Längsverformung sowie die Bauteil- und Brandraumtemperaturen aufgezeichnet.
In einem Vorversuch an einem unbelasteten Bauteilabschnitt eines Carbonzuggliedes konnte das Brand- und Erwärmungsverhalten des Verbundmaterials untersucht werden. Dabei zeigten sich Makrorisse und eine Zersetzung der Kunststoffmatrix sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit der Kohlenstofffasern. Durch das Fehlen der schützenden Matrix reagierten die Carbonfasern sensibel auf Querbeanspruchung. Dies führte zu einem Bruch und Ablösen der oberflächennahen Fasern.
Der diesjährige Beitrag zeigt den Einfluss ausgewählter Versuchsrandbedingungen auf das Abplatzverhalten von Normalbeton im kleinskaligen Brandversuch. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Abplatzneigung von acht zylindrischen Betonprüfkörpern der Maße Ø47 cm x 29 cm aus Normalbeton analysiert. Vier Prüfkörper wurden aus Normalbeton mit quarzitischer Gesteinskörnung hergestellt, wohingegen die grobe Gesteinskörnung (>2 mm) der anderen vier Prüfkörper durch Basaltsplitt ersetzt wurde. Neben der Art der groben Gesteinskörnung wurden zusätzlich ausgewählte Versuchsrandbedingungen variiert. Dies umfasste zum einen die Vorlagerung der Prüfkörper bei verschiedenen Umgebungsfeuchten und zum anderen die Ummantelung der Prüfkörper mit zwei Ringen aus Stahl bzw. einem durchgehenden Stahlblech. Die Ummantelung der Prüfkörper mit Stahlringen im Brandversuch führt zu einer Behinderung der thermischen Ausdehnung der Prüfkörper und zum Aufbau thermomechanischer Zwangsdruckspannungen. Diese Zwangsdruckspannungen werden maßgeblich von der thermischen Ausdehnung der verwendeten Gesteinskörnung beeinflusst. Zusätzlich wird die Feuchteabgabe über die Mantelfläche behindert. Der Einsatz des Stahlblechs reduziert lediglich die Abgabe der Feuchtigkeit über die Mantelfläche und induziert vernachlässigbare Zwangsdruckspannungen im Beton. Die Brandbeanspruchung der Prüfkörper erfolgte einseitig nach der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) über einen Zeitraum von 60 Minuten. Mit Hilfe eines Laser Scanners wurden vergleichende 3D-Messungen der brandbeanspruchten Oberfläche vor und nach dem Brandversuch durchgeführt. Aus diesen Messungen konnten das Abplatzvolumen, die Abplatztiefenverteilung und die maximale Abplatztiefe ermittelt werden. Während des Brandversuchs wurde die Temperaturverteilung im Prüfkörper mittels fünf eingebetteter Mantelthermoelemente in verschiedenen Tiefen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abplatzungen an der brandbeanspruchten Oberfläche infolge der Prüfkörperummantelung mit Stahlringen bzw. Stahlblech zunehmen. Bei einer Ummantelung mit Stahlringen mit gleichzeitiger Vortrocknung der Betonrandzone platzt der Prüfkörper mit quarzitischer Gesteinskörnung ab, wohingegen der Prüfkörper mit basaltischer Gesteinskörnung keine Abplatzungen aufweist. Dies wird auf die unterschiedliche Ausprägung der thermomechanischen Schädigung infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Quarzkies und Basalt zurückgeführt.
Die Ergebnisse der Brandprüfserie zeigen, dass die Variation der Prüfrandbedingungen bei Beibehaltung der Prüfkörpergröße einen maßgeblichen Einfluss auf das Abplatzverhalten haben. Die Randbedingungen sind daher bei kleinskaligen Brandversuchen, die zukünftig als „Screening-Tests“ ersatzweise für kostenintensive Bauteilversuche verwendet werden sollen, zu berücksichtigen.
In civil engineering, steel tension members are normally used for bracings, suspensions and underbracing systems. Typically, slim circular solid sections (CSS) are used for such tension members. However, sufficient knowledge about the performance of reactive fire protection systems (RFPS) applied to solid steel tension members has so far been missing. The application of RFPS on such members was not covered by national German approvals (abZ) as well as European technical assessments (ETA) and therefore only possible by approvals in individual case by the building authority. This paper describes the world’s first scientifically investigated fire tests of RFPS applied to steel tension members with CSS. The influence of various parameters such as profile geometry, dry film thickness of the RFPS, level of the load utilization as well as member orientation was tested. In addition, the foaming and cracking behaviour and thermal protection of the RFPS used are investigated and failure mechanisms are identified. To measure the steel temperature of the tension member without weakening the cross-section a special method for the application of thermocouples was developed. The fire tests show that an application of RFPS on steel tension members with solid section is generally possible. However, due to the slim cross-sections and the missing possibility of load distribution within the tension member, high requirements are placed particularly on the effectiveness and reliability of the RFPS. In particular, the testing of mechanically loaded tension members is essential, since the necessary three-dimensional foaming results in the highest stress level for the RFPS. The findings obtained from the performed fire tests are of general nature. Recommendations for the testing and assessment of RFPS applied to steel tension members with solid section are briefly described in this paper and explained in detail in [1] and [2]. Based on this research, the German building authority (DIBt) has defined national approval guidelines for the testing and the assessment of RFPS applied to tension members with solid section. Since November 2015, a general building approval for a RFPS is available in Germany.
Prüfmethodik für reaktive Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit kreisrundem Vollquerschnitt
(2014)
An der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung werden Brandversuche an axial belasteten und unbelasteten Zuggliedern mit reaktiver Brandschutzbeschichtung durchgeführt. Neben den für Zugglieder typischen Kreisvollprofilen ist auch ein Kreishohlprofi! untersucht worden. In dieser Veröffentlichung werden Versuchsaufbau und -durchführung sowie die Ergebnisse der bisher durchgeführten Brandversuche vorgestellt. Die bisherigen Brandprüfungen zeigen, dass grundsätzlich eine Anwendung eines herkömmlichen reaktiven Brandschutzsystems auf kreisrunden Stahlprofilen möglich ist. Jedoch ergeben sich aufgrund des gekrümmten Querschnittes Besonderheiten, welche bei der Prüfung dieser Systeme und deren späteren Anwendung zu berücksichtigen sind. Unter anderem ist besonders bei kleinen Trockenschichtdicken mit einer ausgeprägten Längsrissbildung im aufgeschäumten Brandschutzsystem zu rechnen, welche die thermische Schutzwirkung des Systems erheblich beeinträchtigt. Neben Rissen in Längsrichtung treten auch Querrisse im Brandschutzsystem auf. Anhand der Versuche zeigt sich, dass die aufgebrachte mechanische Zugbelastung die Rissbildung begünstigt. Das Versagen der belasteten Zugglieder ereignet sich meist in der Nähe der gemessen maximalen Stahltemperatur und kündigt sich durch eine Zunahme und Vergrößerung der Querrisse an. Im Allgemeinen führt eine Erhöhung der Trockenschichtdicke bzw. eine Reduzierung des Lastausnutzungsgrades zu einer Verbesserung des Feuerwiderstandes. Ein Unterschied in den Temperaturverläufen von belasteten und unbelasteten Versuchskörpern ist besonders bei geringen Schichtdicken zu beobachten.