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Bauteile bzw. Tragwerke aus Hochleistungsbetonen müssen in der Regel gegen brandinduzierte Abplatzungen mit geeigneten Maßnahmen geschützt werden, um einen ausreichenden Feuerwiderstand im Brandfall zu gewährleisten. Die bisher wirtschaftlich und technologisch sinnvollste Methode zur Verhinderung von explosionsartigen Betonabplatzungen im Brandfall ist die Zugabe von Polypropylen-Fasern. Die Wirksamkeit der Fasern konnte zwar empirisch gezeigt werden, es stellt sich allerdings die Frage, welche Mechanismen zur Verhinderung der Abplatzungen führen. Der vorliegende Beitrag fasst bisherige Theorien zur Wirkungsweise von Polypropylen-Fasern in brandbeanspruchten Hochleistungsbetonen zusammen und stellt eine innovative Methodologie zur Erforschung der mikrostrukturellen Prozesse vor. Die Ergebnisse zeigen, dass die nach dem Schmelzen und Zersetzen der Polypropylen-Fasern frei werdenden Mikrokanäle durch eine gleichzeitig einsetzende Mikrorissbildung netzartig verbunden werden. Die Mikrorissbildung ermöglicht somit den Abbau von Eigen- und Zwangsspannungen im Beton (mechanischer Effekt) und die Entstehung eines Transportwegesystems für den ausströmenden Wasserdampf (Permeationseffekt).--------------------------------------------------------------------------- Structural members and bearing structures of high performance concrete generally have to be protected against explosive spalling due to fire exposure to guarantee a sufficient fire resistance. Up to now, the economically and technologically most worthwhile method to prevent explosive spalling is the addition of polypropylene fibres. Though the effectiveness of the fibres could be shown empirically, the mechanisms preventing explosive spalling are still debatable. The present article summarizes the existing theories concerning the mode of action of polypropylene fibres in fire exposed high performance concretes and presents an innovative methodology for analysing the micro structural processes. The results show that due to the thermal decomposition of the polypropylene fibres micro channels are created and simultaneously connected due to a netlike micro crack formation. This enables the relief of internal stresses (mechanical effect) and the formation of a permeable transport system for the escaping water vapour (permeation effect).
Monitoring of fire damage processes in concrete by pore pressure and acoustic emission measurements
(2011)
It has been shown in fire tests that polypropylene fibres reduce or avoid explosive spalling of high performance concrete. In the critical temperature ränge up to 300 °C the permeability of HPC increases by using polypropylene fibre. Due to this the water vapour, which is the main reason for explosive spalling, can escape. There exist different theories in the literature conceming the micro structural mechanisms, which cause an increase in the permeability. Within the framework of an internal research project at BAM an innovative methodology was developed for experimental verifying of existing theories and to get new insights into this problem The methodology used is unique and has been undertaken here for the first time. This consists of the combination of acoustic emission and ultrasonic measurement during temperature loading and the non-destructive micro structural analysis of cooled down samples with the aid of micro X-ray computed tomography. For the validation of the nondestructive test methods scanning electron microscopic images of prepared samples were undertaken. The results show that due to the thermal decomposition of the polypropylene fibres micro canals emerge. These are connected due to a simultaneous micro cack formation.
Monitoring of fire damage processes in concrete by pore pressure and acoustic emission measurements
(2011)
This paper presents the combined use of acoustic emission (AE), gas pore pressure and temperature measurements (PT). The simultaneous application of both techniques represents a new methodology in the context of fire spalling and contributes to a better understanding of the mechanisms of fire spalling, particular with regard to the interaction of micro cracking and pore pressure evolution. The study presents fire tests on normal strength concrete specimens with and without reinforcement at ISO Standard fire and at hydrocarbon (HC) fire. Supported by AE-analysis, it can be shown that due to the higher heating rate of the HC-fire in comparison to the ISO Standard fire the damage processes inside the concrete during the exposure are increased combined with augmenting the concrete permeability. As a consequence lower pore pressures were measured. However, despite the lower pore pressures, explosive spalling was observed.
Although concrete in general is a non-combustible material, the fire resistance of concrete structures depends, to a large extent, on the mechanical material behaviour. Fire tests have shown that SCC is often susceptible to explosive spalling due to fire exposure, in a similar manner to HPC. But there are hardly any studies available that report properties of specimens at high temperatures.
Als umweltschonende Alternative zu portlandzementgebundenen
Betonen werden derzeit in der Betonindustrie und in der
Baustoffforschung Betone mit alkaliaktivierten Bindemitteln,
sog. Geopolymerbetone, intensiv erforscht. Die auf industriellen
Reststoffen wie Flugasche und Hüttensand basierenden anorganischen
Bindemittel weisen bei geeigneter Zusammensetzung
einen hohen Widerstand gegenüber aggressiven Salzlösungen
und Säuren auf. Als Grundlage für den rechnerischen
Nachweis der Tragfähigkeit von brandbeanspruchten Betonbauteilen
auf Basis von alkaliaktivierten Bindemitteln werden
deshalb an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
(BAM) die mechanischen Hochtemperatureigenschaften
von flugaschebasierten Geopolymerbetonen systematisch
untersucht.
Die bis zu 750 °C erhitzten Probekörper mit quarzitischer
und leichter Gesteinskörnung zeigen einen Festigkeitsverlust
bis ca. 300 °C, der auf entwässerungsbedingte Mikrorissbildung
zurückgeführt werden kann. Bei weiter zunehmender
Temperatur steigt aufgrund von Sinterungsprozessen ab
ca. 500 °C die Festigkeit der untersuchten Geopolymerbetone
wieder an. Diese im Vergleich zu herkömmlichem Beton günstigere
Materialeigenschaft eröffnet potenziell auch Anwendungsmöglichkeiten
in brandschutztechnisch kritischen Infrastrukturbereichen.
Die Ergebnisse der thermomechanischen
Prüfungen werden für numerische Bauteilberechnungen als
temperaturabhängige Spannungs-Dehnungs-Beziehungen aufbereitet.
Though, concrete in general is a non-combustible building material, modern High Performance Concrete (HPC) is very susceptible to violent explosive spalling during a fire attack. This requires protective measures for fire safety design of concrete structures. The current most worthwhile method to prevent explosive spalling is the addition of monofilament Polypropylene fibres (PP-fibres). However, since it has become common knowledge that PP-fibres are suitable for fire safety design, a variety of theories concerning the mode of action of PP-fibres have been suggested. The present article summarizes the most important hypothesis and presents an innovative method for the analysis of micro structural processes in heated specimens. The results show that due to the thermal decomposition of PP-fibres capillary channels are created. Simultaneously, a netlike micro crack formation occurs, which connects these capillary channels. This enables the relief of internal stresses (mechanical effect) and the formation of a permeable transport system for the escaping water vapour (permeation effect).
The mechanical and microstructural properties of geopolymer concretes were assessed before, during and after high temperature exposure in order to better understand the engineering properties of the material. Fly ash based geopolymer concretes with either quartz aggregate or expanded clay aggregate were exposed to various temperatures up to 750 °C using a thermo-mechanical testing apparatus. Microstructural investigations were also undertaken to better understand the measured changes in the mechanical properties. It was found that dehydration of capillary water caused cracking and strength losses at temperatures ≤300 °C, an effect that was more severe in the quartz aggregate geopolymer due to its lower permeability. At higher temperatures (T ≥ 500 °C) sintering promoted strength increases which enabled both concrete types to yield significant strength advantages over conventional materials. Stress–mechanical strain curves, which form the basis of the fire design of concrete structures, are reported.
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.
Das Hauptanliegen der Arbeit besteht in der experimentellen Erforschung der faserbedingten mikrostrukturellen Schädigungsprozesse in brandbeanspruchtem HPC. Dazu werden das thermische Degradationsverhalten von Polypropylen-Fasern (PP-Fasern) mithilfe thermoanalytischer Verfahren aus der Polymerforschung untersucht und die Wechselwirkung der schmelzenden PP-Fasern mit dem umgebenden Betongefüge unter Verwendung hochtemperaturmikroskopischer Methoden analysiert. Des Weiteren werden erstmalig akustische und röntgentomographische Methoden zur zerstörungsfreien Untersuchung der Rissgenese in thermisch beanspruchten Betonproben kombiniert. Zur Validierung der Ergebnisse und zur Visualisierung von mikroskopischen Morphologieänderungen im Faserbereich werden ergänzend Bruchflächen von thermisch geschädigten Proben rasterelektronenmikroskopisch untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass durch die thermische Degradation der PP-Fasern zwischen 160 und 350 °C Kapillarröhren entstehen, die durch eine bei ca. 160 °C einsetzende Mikrorissbildung netzartig verbunden werden. Durch die Mikrorissbildung werden Spannungen im Mikrogefüge des Betons abgebaut (thermomechanischer Effekt) und die Ausbildung eines netzartig verbundenen Transportwegesystems für den ausströmenden Wasserdampf (thermohydraulischer Effekt) ermöglicht.
Als Synthese und Abschluss der Arbeit werden zwei Modelle entwickelt, in denen die theoretisch und experimentell gewonnenen Erkenntnisse für die Beschreibung der Wirkungsmechanismen von PP-Fasern zusammenfließen. In einem mikroporomechanischen Modell werden alle an dem Wirkmechanismus der PP-Fasern beteiligten Prozesse den Strukturelementen des Betons (Feststoff, Fluide und Porenraum) zugeordnet. Für eine weitere modellhafte Beschreibung der Wirkungsweise von PP-Fasern wird in einem einfachen thermodynamischen Modell der wassergefüllte Porenraum von HPC als thermodynamisch geschlossenes System idealisiert, bei dem das den Porenraum umgebende Feststoffgerüst die thermodynamische Systemgrenze bildet. Bei dieser Modellvorstellung wird anhand eines Temperatur-Entropie-Diagramms für Wasser gezeigt, dass durch die rissbedingte Öffnung der thermodynamischen Systemgrenze ab ca. 160 °C der thermodynamische Zustand des Porenwasser beeinflusst wird, so dass das Porenwasser bereits bei vergleichsweise niedrigem Druck und niedriger Temperatur vollständig verdampft, ohne den kritischen Grenzdruck von ca. 5 MPa (Zugfestigkeit des Betons) zu erreichen.
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.
This chapter report the most recent experimental results on mechanical behaviour at high temperature of high-performance concretes. After a short introduction, subsection 5.2 describes the main testing methods that were used in the analysed studies.
Sub-section 5.3 collects and compares; the temperature-dependency of the compressive strength and modulus of elastici1ty of many experimental studies. The influence of parameters such as the initial compressive strength, the type of aggregate, the presence of additions, the W/C ratio, the moishrre content and the way the mechanical test was performed is analysed. Sub-section 5.4 presents the experimental results obtained under a constant temperature, i.e. creep tests at high temperature.
Sub-section 5.5 presents experimental results obtained under increasing temperahrre.
These results allow assessing the free thennal strain of concrete (when no mechanical load is applied) and the so-called "transient the1mal strain". Finally, subsection 5.6 collects and analyses the few results conceming the temperature-dependency of the tensile strength of high-perfo1mance concretes.
Within a current research project which is funded by the German Research Foundation (DFG) the influence of the size and the geometry of specimens on the spalling result in fire tests is going to be investigated at Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). This paper describes some preliminary results and a newly developed test setup. The novel setup enables the efficient and precise quantification of spalling by using a special photogrammetric measurement system.
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 Bemessungsnorm für Stahlbeton- und Spannbetontragwerke DIN EN 1992 (EC 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 innovativer Betone bei der Heißbemessung berücksichtigt werden muss. Zum einen muss bei Verwendung von innovativen Betonen untersucht werden, ob bei Feuereinwirkung zerstörende Abplatzungen auftreten, die sich auf die Tragfähigkeit der untersuchten Tragstruktur auswirken. Zum anderen müssen die temperaturabhängigen Festigkeits- und Verformungseigenschaften innovativer Betone experimentell untersucht werden, da das Hochtemperaturverhalten von Beton vor allem von der stofflichen Zusammensetzung und weniger von der Kaltdruckfestigkeit abhängt.
Das Forschungsprojekt fokussiert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Querdehnungs-behinderung auf das Trag- und Verformungsverhalten von Spannbeton-Hohlplatten (HC-Platten) im Brandfall. Das Vorhaben wird vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) finanziell gefördert und von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt. Der Forschungs¬bericht beinhaltet eine Literaturrecherche, numerische Simulationsberechnungen, realmaßstäbliche Brandversuche an Deckenfeldern aus HC-Platten sowie Materialuntersuchungen für den verwendeten Beton. In numerischen Simulationen wurden sowohl einzelne HC-Platten als auch ganze Deckenfelder unter mechanischer Belastung und Brandbeanspruchung analysiert. Realmaßstäbliche Brandversuche mit Beanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve und auflagernaher Einleitung der mechanischen Prüflast (Querkraftbeanspruchung) wurden an insgesamt drei Deckenfeldern durchgeführt. Die Deckenfelder wurden aus 5 m langen HC-Platten zusammengesetzt. In zwei Brandversuchen wurden einachsig gespannte Deckenfelder untersucht. In dem einen Versuch waren die Längsränder frei, in dem anderen an der Querdehnung gehindert. In einem dritten Brandversuch wurde ein zweiachsig gespanntes Deckenfeld mit seitlicher Dehnungsbehinderung untersucht. Um das Verhalten der HC-Platten im Brandversuch quantitativ beschreiben zu können, wurde eine umfangreiche Sensorik zur Erfassung thermischer und mechanischer Kenngrößen eingesetzt.
Die Brandversuche haben gezeigt, dass bei einer Zunahme des Grades der seitlichen Dehnungsbehinderung die Horizontalrissbildung in den Plattenstegen zu und die Längsrissbildung abnimmt. Die unterschiedlich starke thermisch bedingte horizontale Verformung der Plattenober- und -unterseite bewirkte am Übergang zur seitlichen Zwängungskonstruktion eine Schub-beanspruchung in Plattenquerrichtung. Die Schubspannung wurde durch Horizontalrissbildung in den Plattenstegen abgebaut. Trotz der ausgeprägten Rissbildung 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 Decken-konstruktion. 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.
The recommendation is based on the co-authors’ work organized by the RILEM TC 256-SPF “Spalling of concrete due to fire: testing and modelling”. It aims to provide useful information, guidance and best practices in fire spalling assessment to laboratories that perform large-scale tests based on fire resistance test standards. It provides guidance on the spalling observation techniques during testing, as well as post-test spalling quantification/assessment methods. This document is intended to be used in conjunction with the fire resistance test standards, e.g. EN 1363-1 and ISO 834-1.