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High-strength concrete (HSC) will experience thermal microcracking, explosive spalling, and undesirable chemical changes when exposed to high temperatures, such as during fire, engulfment by lava flow, or nuclear meltdown. Knowledge of the resultant changes in mechanical, physical, and chemical properties is paramount for hazard mitigation. We present a multidisciplinary study on the influence of thermal-stressing on HSC. Our study shows that thermal microcracking in HSC initiates at 180 °C, is more prevalent during cooling, and exhibits the Kaiser 'temperature-memory' effect. We show that residual compressive strength, indirect tensile strength, ultrasonic wave velocities, and Youngs modulus and Poissons ratio decrease, whilst porosity and permeability increase with increasing temperature. We discuss these data in terms of the chemical changes during thermal-stressing, provided by thermo-gravimetric analysis, differential scanning calorimetry, and X-ray diffraction, and from optical microscopic analysis of thermally-stressed samples. We provide implications for thermally-damaged HSC structures and a new method for non-destructive monitoring.
This paper presents the results of an
experimental study on the transient strain of high
strength concrete (HSC) under heating up to 750 °C
and the impact of polypropylene (PP) fibers. Concerning
this topic only few results are available in the
literature and systematic investigations are missing.
However, basic knowledge is necessary for the
understanding of the internal damage processes in
the material as well as for heated structures. The
transient strain during heating can be separated in two
basic components: the free thermal strain and the
mechanical strain. They were experimentally determined
exemplarily for one HSC. For the determination
of the mechanisms of transient strain and particularly
the influence of PP fibers different techniques were
applied. In this context the monitoring of the microcracking
was done for the first time with acoustic
emission analysis in combination with ultrasonic
measurements. This new approach helps fundamentally
to explain the impact of PP fibers on free thermal
strain and mechanical strain during heating up.
Furthermore weight loss measurements were carried
out to characterize the moisture transport. It was
shown that the PP fibers cause an acceleration of the
moisture transport in the temperature range from 200
to 250 °C which leads to drying shrinkage in opposite
direction to the free thermal strain. Hence this paper is
a contribution to the general understanding of the
impact of PP fibers in HSC at high temperatures and
emphasizes the important influence of PP fibers on the
thermal and mechanical induced strain of HSC.
This paper presents the results of an experimental study on the influence of polypropylene (PP) fibres on the thermal strain of high strength concrete (HSC) at temperatures up to 750°C. Concerning this topic only few results can be found in the literature and systematic investigations are missing. However, basic knowledge is necessary to understand the internal damage processes as well as for structural design.
To explain the differences in the thermal strain of HSC with and without addition of PP fibres the internal damage processes were investigated with acoustic emission (AE) analysis and ultrasound (US). Furthermore the weight loss was measured continuously during heating to monitor the drying of the specimen. This novel approach by combining these different methods with strain measurements at high temperatures allows the integral description of the internal damage processes. The results reveal significant differences in the thermal strain of HSC when PP fibres are added. Between 200°C and 250°C the thermal strain of HSC with PP fibres is superimposed by shrinkage caused by accelerated drying. Above 250°C it is lower than that of plain HSC without PP fibres. It is supposed that it is caused by a more homogeneous distribution of micro cracks whereby the fibre beds acting as defects in the concrete.
Hence this paper gives a contribution to the general understanding of the impact of PP fibres in HSC at high temperatures and points out the influence of the fibres on the thermal strain of HSC.
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.
Damage and strength reduction of a high performance concrete due to thermomechanical stresses
(2008)
Experimental and numerical study of high performance concrete columns subjected to fire loading
(2009)
Influence of the preload on the mechanical properties of high strength concrete at high temperatures
(2009)
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.
Experimental and numerical study of high performance concrete columns subjected to fire loading
(2009)
Experimental and numerical study of high performance concrete columns subjected to fire loading
(2009)
Influence of the preload on the mechanical properties of high strength concrete at high temperatures
(2009)
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.
Engineering Modelling
(2019)
This chapter presents the most commonly used approach to analyse the
thermo-mechanical behaviour of concrete structures subjected to high temperatures as in the case of fire loading. Prescriptions of the Eurocode are detailed for the thermal as well as the mechanical analysis. Finally, recommendations from two national (Austrian and German) guidelines give some improvements for Underground infrastructure.