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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.
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.
The size effect has its origin in fracture mechanics and describes the formation as well as propagation of cracks in brittle and solid materials in dependence of the specimen size. However, the size effect in concrete spalling describes the damage behaviour on a macroscopic scale for different sized specimens in case of fire. Concrete spalling is a very complex and yet not fully understood phenomenon. To reduce the effort of fire tests to analyse the spalling behaviour of concrete mixtures, this study investigates the susceptibility to spalling for six different concrete mixtures and three specimen sizes. The sizes were divided in full scale slabs (1.8 m x 1.2 m x 0.3 m), intermediate scale cuboids (0.6 m x 0.6 m x 0.3 m) and small scale cylinders (Ø0.15 m x 0.3 m). For this purpose, a novel test set-up was built to test six intermediate scale or twelve small scale specimens simultaneously to ensure a similar heating regime for every specimen. All specimens were fire exposed on one side and remained unrestrained. A size effect occurred for four of the six concrete mixtures. Compared to the full scale specimens the spalling was reduced significantly for all smaller specimen sizes. Additionally, spalling did not occur for the small scale specimens. The results show that the specimen size is an essential parameter to investigate the susceptibility to spalling of a concrete mixture. For future investigations the testing conditions must be adjusted for the intermediate scale specimens to recreate the conditions of the slabs.
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.
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 (Ø0.47 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.
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.
Spalling of concrete due to fire exposure can lead to severe damage of building components. It is a much discussed subject in structural engineering and not yet completely understood. Generally, it is assumed that thermohydraulic and thermomechanical processes induce tensile stresses in the concrete. Furthermore, the tensile strength of concrete is reduced due to increasing temperatures. The combination of an increasing tensile stress and a decreasing tensile strength result in the occurrence of explosive spalling. The spalling behaviour of concrete is influenced by many parameters, for instance the water cement ratio, porosity, permeability of concrete as well, the presence of steel reinforcement and polypropylene fibres, also the size and geometry of the fire exposed area. Within the current research project at Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM), the susceptibility to spalling of six different concrete mixtures is analysed to quantify the size effect using small scale, intermediate scale and full scale tests. A special fire test setup was built to test specimens simultaneously to enable a better comparability. All specimens are tested without additional mechanical load and unrestraint to prevent external induced cracking at the fire exposed site. Thermocouples are used to measure in situ the temperature distribution as an indication on the thermal degradation of the concrete during the fire tests. Afterwards the maximum spalling depth and the damaged area of the specimen are illustrated by a photogrammetric measurement system. The contribution to the spalling workshop presents the results of four concrete mixtures tested in intermediate-scale and full-scale fire tests. The comparisons are based on the concrete temperature as well as the obtained photogrammetric data. The results show that the spalling depth and the spalling area are significantly affected by the size of the fire exposed area.
Understanding the susceptibility to spalling of concrete members in case of fire is important to evaluate the residual load-bearing capacity. The investigations of the spalling phenomenon of a concrete mixture using real scale members are necessary but expensive to carry out. Reducing the specimen size leads to an increase of boundary effects that can result in a reduced spalling or absence of spalling. In this study, fire tests were carried out on unrestrained, single-sided exposed, cuboid shaped specimens (0.6 m x 0.6 m x 0.29 m) as well as unrestrained and steel ring restrained cylindrical specimens (Ø = 0.47 m, h = 0.29 m), which induce different boundary conditions. These fire tests were carried out on two ordinary concrete mixtures. The two mixtures differ only in the type of aggregates (quartz gravel and basalt grit) and were used to investigate the influence of the thermal expansion of the aggregate on the spalling behaviour of the concrete. The results show a significant increase of
the spalling depth due to the restrained thermal expansion achieved by the applied steel rings. Additionally, the type of aggregate has a direct influence on the spalling behaviour of a concrete mixture. The reduction of the boundary effects by the steel rings recreate the test conditions in the centre of a large concrete member. Thus, this type of specimen is suitable to determine the susceptibility to spalling of a material (screening-tests) as preliminary investigations to full scale fire tests.