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Organisationseinheit der BAM
Steel tension rod systems consist of tension rods, fork connectors and associated intersection or connecting plates. They are used for truss systems, bracings or suspensions owing to slender design and increased economic efficiency. In case of fire, beside the tension rods themselves, the connection parts require appropriate fire protection. The use of intumescent fire protection coatings prevents a rapid heating of the steel and helps to ensure the load-carrying capacity of the structures. Because the connection components of the tension rod systems feature surface curvature as well as a complex geometry, high demand is placed on the intumescence and thermal protection effectiveness of the reactive fire protection coatings. Experimental studies were carried out to investigate the performance of intumescent coatings applied to the components of tension rod systems. The examined aspects include the foaming and cracking behaviour of the intumescent coatings, the influence of different dry film thicknesses (DFT), the heating rate of the steel connecting parts in comparison to the tension rods, as well as the mounting orientation of the tension rods together with their associated fork connectors. The results show that a decrease in the surface curvature and/or an increase in the mass concentration of the steel components lead to a lower heating rate of the steel. Moreover, the performance of the intumescent coating on tension rod systems is influenced by the mounting orientation of the steel components.
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.
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.
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.
Die Feuerwiderstandsdauer von ungeschützten Stahlbauteilen lässt sich durch den Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) signifikant erhöhen. Durch den profilfolgenden Auftrag der Brandschutzbeschichtung und die hierfür erforderlichen geringen Trockenschichtdicken, welche in der Regel nur wenige Millimeter betragen, können neben den brandschutz¬technischen Anforderungen auch die an die Stahl-konstruktion gestellten gestalterischen Ansprüche erfüllt werden. Kommt es zu einem Brandereignis schäumt das reaktive Brandschutzsystem auf und bildet eine thermische Schutzschicht um das Stahlbauteil aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der Festigkeitsverlust infolge Temperatur wird verzögert. Die Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Stahlbauteilen wird im Allgemeinen durch Zulassungen geregelt. In Bezug auf die durch die Zulassung abgedeckte Verwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf zug¬beanspruchten Stahlbauteilen haben sich in den letzten Jahren verschiedene Änderungen ergeben. Der nachfolgende Beitrag gibt hierzu einen aktuellen Überblick und beschreibt die Hintergründe, welche zu den neuen Regelungen geführt haben. Ferner erfolgt in diesem Zusammenhang ein Ausblick auf noch zu untersuchende Fragestellungen, welche bisher noch nicht durch die Regelungen in den Zulassungen abgedeckt werden. Darüber hinaus wird in dem Beitrag die derzeit aktuelle Problematik bezüglich der Alterungsbeständigkeit von reaktiven Brandschutz¬systemen thematisiert.
Ziel der Forschung ist die experimentelle und numerische Untersuchung des Brandverhaltens von HC-Platten unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses der Querdehnungsbehinderung (seitliche Zwängung). Eine starke Querdehnungsbehinderung der HC-Platten kann in der Praxis aus der Konstruktionsart resultieren, z.B. durch an das Deckenfeld angrenzende steife Treppenhauskerne. Eine teilweise Querdehnungsbehinderung tritt auf, wenn die thermische Ausdehnung lokal brandbeanspruchter HC-Platten durch angrenzende nicht beflammte Deckenbereiche behindert wird. Da bisher keine Untersuchungen zu dieser Fragestellung vorlagen, wurden Großbrandversuche mit Deckenfeldern aus HC-Platten bei unterschiedlichem Grad der Querdehnungsbehinderung durchgeführt.
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 Brandverhalten von Konstruktionen aus Spannbeton-Hohlplatten vor. In den Untersuchungen wurde unter anderem das Tragverhalten von HC-Platten bei starrer Auflagerung, insbesondere hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit, untersucht.
Ein weiterer bei der Prüfung und Bewertung von Spannbeton-Hohlplatten bisher kaum beachteter Aspekt ist die im Brandfall auftretende Behinderung der Querdehnung. Um zu untersuchen inwieweit die Tragfähigkeit der HC-Platten von der Querdehnungsbehinderung beeinflusst wird, wurden an der BAM entsprechende experimentelle und numerische Untersuchungen an Deckenfeldern aus Spannbeton-Hohlplatten mit variierender seitlicher Zwängung durchgeführt. In der Praxis kann für HC-Platten eine Querdehnungsbehinderung im Brandfall auftreten, wenn beispielsweise eine sehr steife Begrenzung des brandbeanspruchten Deckenbereiches vorliegt, z.B. durch Treppenhauskerne oder auch durch umgebende Deckenfelder bei lokaler Brandbeanspruchung. Im Beitrag werden die im Realmaßstab durchgeführten Brandversuche ausführlich beschrieben und deren Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse vorgestellt.
Anhand der an der BAM durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei einer Zunahme der seitlichen Zwängung die Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu und die Längsrissbildung abnimmt. Die unterschiedlich starke, thermisch bedingte horizontale Verformung der Plattenober- und -unterseite bewirkte aufgrund der Dehnungsbehinderung am Übergang zur seitlichen Zwängungskonstruktion eine Schubbeanspruchung in Plattenquerrichtung. Die Schubspannung wurde durch Horizontalrissbildung in den Plattenstegen abgebaut. 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 in den Brandversuchen erfassten thermischen und mechanischen Messwerte sowie die Ergebnisse aus Materialuntersuchungen stehen zukünftig als umfangreiche Datenbasis für die Validierung numerischer Modelle zur Verfügung.
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. Nicht zuletzt stellt sich die Frage nach der Dauerhaftigkeit der Systeme selbst und adäquaten Prüfverfahren zu deren Beantwortung. Neue und bereits etablierte
Ansätze werden vorgestellt und diskutiert.
Der Beitrag schließt mit einer Darstellung der aktuellen Forschung. Neben den Forschungsaktivitäten zur Dauerhaftigkeit sind hier insbesondere Untersuchungen zur Anwendung und Bewertung von RBS auf Grundlage von Naturbränden und extremen Brandereignissen genannt. Neuste Untersuchungen befassen sich auch mit der Anwendung von RBS auf komplexen Geometrien wie auch auf anderen Substraten wie Beton, Aluminium und faserverstärkten Kunststoffen sowie hybriden Werkstoffen. Die hybriden Werkstoffe aus der Kombination von Metallen und Verbundwerkstoffen sind derzeit vorwiegend im Behälter-, Fahrzeug- und Flugzeugbau anzutreffen. Auch die bereits vor Jahrzehnten begonnenen Aktivitäten zur Entwicklung rechnerischer Verfahren zur Beurteilung der Wirkungsweise von RBS werden in der aktuellen Forschung fortgeführt und weiterentwickelt.
Der Beitrag beschreibt die Entwicklung eines neuartigen in situ Nachweisverfahrens zur Beurteilung des Feuerwiderstandes von bestehenden Stahlkonstruktionen mit gealtertem reaktivem Brandschutzsystem (RBS). Derzeit ist ein solcher Nachweis ausschließlich anhand eines Bauteilbrandversuchs möglich. Hierzu muss ein Bauteil aus der Bestandskonstruktion entnommen und einer zerstörenden Brandprüfung unterzogen werden. In Zusammenhang mit der Dauerhaftigkeitsbewertung von RBS für Zeiträume von mehr als 10 Jahren besteht in der Praxis vermehrt der Bedarf an einem minimal invasiven Prüfverfahren, mit dessen Hilfe sich direkt am Bestandsbauwerk die tatsächlich vorhandene Leistungsfähigkeit des gealterten RBS überprüfen lässt. Durch einen erfolgreichen Funktionsnachweis wäre eine Weiternutzung der Bestandkonstruktion bei Aufrechterhaltung des bestehenden Sicherheitsniveaus möglich.