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- Hochfester Beton (2) (entfernen)
Ausgehend von einer kritischen Analyse der Materialkennwerte für normalfesten (NFB) und hochfesten Beton (HFB) im Eurocode 2 wurden in grundlegenden Untersuchungen an der BAM exemplarisch für einen HFB die thermomechanischen Materialkennwerte bestimmt, um auf der Basis eines geeigneten Materialmodells das Verhalten von Stahlbetonstützen aus HFB unter Brandbeanspruchung zu simulieren. Die Validierung des Modells erfolgte mittels großmaßstäblicher Brandversuche an belasteten Stahlbetonstützen aus dem gleichen HFB wie in den Materialuntersuchungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Festigkeit als charakteristischer Parameter des Materialmodells zwingend auf der Basis instationärer Versuche und nicht aus stationären Versuchen wie bei NFB üblich bestimmt werden muss. Mit den in vorgeschlagenen Materialbeziehungen für HFB wird das Tragverhalten der untersuchten Stützen dagegen deutlich überschätzt, was sich in den numerischen Simulationen insbesondere durch zu geringe Verformungen äußert.------------------------------------------------------------------------------------------------------
Development and Validation of an Advanced Calculation Model for High Strength Concrete Columns Subjected to Fire Loading
Following a critical analysis of the material parameters of normal strength (NSC) and high strength concrete (HSC) presented in Eurocode 2 the thermo-mechanical material parameters of one representative HSC were identified. Using these parameters and based on an appropriate material model the behavior of HSC columns was simulated. The validation of the model was realized through real scale fire resistance tests on loaded columns of the same type of HSC as in the material identification tests. It was found that the strength as a characteristic parameter of the material model has to be identified on the basis of transient creep tests and not of stationary tests, respectively as realized usually for NSC. It could be shown that the structural behavior of the tested columns is overestimated if the numerical simulations are based on the material properties of HSC as proposed in. This feature is expressed especially through insufficient displacements.
Das Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung unterscheidet sich wesentlich von dem des normalfesten Betons. Dies bedeutet, dass bestehende Annahmen sowie Berechnungsverfahren mit zugehörigen Materialparametern, die von einem normalfesten Beton ausgehen, nicht ohne weiteres auf den hochfesten Beton übertragen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher exemplarisch für einen hochfesten Beton das Verhalten unter thermomechanischer Beanspruchung untersucht. Dabei wurden die Einflüsse verschiedener Randbedingungen bei der Prüfung sowie der Einfluss von Polypropylenfasern (PP-Fasern) im Beton auf die thermomechanischen Materialeigenschaften charakterisiert und ein wesentlicher Beitrag zur Klärung der Ursachen geleistet. Weiterhin wurde mit Hilfe der gewonnenen Kennwertfunktionen ein Materialmodell entwickelt und damit das Trag- und Verformungsverhalten von Stahlbetonstützen aus hoch-festem Beton unter Brandbeanspruchung rechnerisch beschrieben. Anhand eines Bauteilversuchs wurde das Berechnungsverfahren validiert. Die Bearbeitung erfolgte in drei Teilen. In dem ersten Teil dieser Arbeit wurde ein thermomechanischer Prüfstand entwickelt, in dem die Ermittlung der thermomechanischen Materialkennwertfunktionen exemplarisch für einen hochfesten Beton erfolgte. Ein wesentlicher Untersuchungsgegenstand war der Einfluss der Belastungsgeschichte während der Erwärmung auf die Spannungs-Dehnungs-Linien. Dabei wurde eine Reduzierung des temperaturbedingten Abfalls der Festigkeit und des E-Moduls mit zunehmender Belastung und Temperatur festgestellt. Mit zerstörungsfreien und zerstörenden Prüfverfahren konnte gezeigt werden, dass die Belastung während der Erwärmung eine Orientierung der Risse bewirkt und dadurch der Abfall in der Festigkeit und dem E-Modul verringert wird. Der Einfluss hoher lokaler Temperaturgradienten auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen wurde ebenfalls untersucht. Zwar entstehen infolge thermomechanischer Spannungen zusätzliche Risse im Betongefüge, diese wirken sich jedoch nicht wesentlich auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen aus. Weiterhin wurde der Einfluss von PP-Fasern auf das Verformungsverhalten des Betons bei instationärer Temperaturbeanspruchung untersucht. Mit Hilfe thermogravimetrischer Versuche konnte gezeigt werden, dass die PP-Fasern durch ihre Wirkung im Beton den Feuchtetransport je nach Aufheizrate zwischen 180 °C und 250 °C beschleunigen. Dies führt zum Schwinden des Zementsteins, das der thermischen Dehnung entgegenwirkt und in der Verformungskurve als Stagnation wahrgenommen wird. Ohne PP-Fasern findet der Feuchtetransport wesentlich langsamer statt und eine Stagnation in der Verformungskurve bleibt aus. Bei Temperaturen oberhalb von 300 °C sind die thermischen Dehnungen des Betons mit PP-Fasern geringer und die mechanischen Dehnungen höher als ohne PP-Fasern. In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurden Stahlbetonstützen aus dem gleichen Beton, für den die thermomechanischen Kennwertfunktionen ermittelt wurden, unter Brandbeanspruchung geprüft. Nach der Beanspruchung erfolgte zusätzlich die Charakterisierung der Rissbildung mittels 3D-Röntgen-Computertomographie. In dem dritten Teil dieser Arbeit wurde auf der Grundlage der Ergebnisse des ersten Teils ein Materialmodell in Anlehnung an den Eurocode 2 entwickelt. Mit diesem konnte das Trag- und Verformungsverhalten der Stahlbetonstützen aus hochfestem Beton im Brandfall hinreichend genau abgebildet werden. Im Rahmen der Validierung zeigte sich, dass die charakteristischen Kenngrößen des Modells (E-Modul und Festigkeit) zwingend aus den instationären Kriechversuchen abgeleitet werden müssen. Sofern die Festigkeit nur aus den stationären Versuchen abgeleitet wird, wird das Tragverhalten deutlich überschätzt.