Fire Science
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Kontinuumsmechanische Werkstoffmodelle zur numerischen Simulation von Stahlbauteilen im Brandfall
(2020)
Das nichtlineare und geschwindigkeitsabhängige1 Materialverhalten von Stahl wird besonders bei hohen Temperaturen sichtbar. Für Finite-Elemente-Simulationen von Stahlkonstruktionen im Brandfall sollte aus diesem Grund plastisches und geschwindigkeitsabhängiges Materialverhalten beschrieben werden. Die vorliegende Arbeit betrachtet unter diesem Aspekt bisherige Materialuntersuchungen und macht Vorschläge für dreidimensionale Materialmodelle mit entsprechenden Eigenschaften.
Es werden zunächst die phänomenologischen Eigenschaften von Baustahl anhand einer Literaturrecherche analysiert, wobei verstärkt auf Untersuchungen des Materialverhaltens bei Belastungen und Aufheizprozessen, wie sie im Brandfall zu erwarten sind, geachtet wird. Die für die Bemessung von Stahlkonstruktionen gebräuchliche Spannungsbeschreibung des EC 3-1-2 wird untersucht. Es werden ihre Stärken, aber auch die zur Entwicklung einer kontinuumsmechanischen Materialformulierung fehlenden Eigenschaften, aufgezeigt.
Ein nichtlinear-elastisches kontinuumsmechanisches Materialmodell der Deformationstheorie der Plastizität wird so angepasst, dass es die Spannungs-Dehnungslinien gemäß EC 3-1-2 im einachsigen Spannungszustand beschreibt.
Es wird des Weiteren ein thermoelastisch-viskoplastisches Modell vorgestellt, das in der Lage ist, Kriechen und Relaxation bei Aufheiz- und Abkühlprozessen zu beschreiben. Die Struktur dieses Materialmodells wird so gewählt, dass die Parameter an hierfür geeigneten Messergebnissen leicht identifiziert werden können. Der deviatorische Anteil des Modells besteht aus einem geschwindigkeitsunabhängigen, plastischen Anteil und einem geschwindigkeitsabhängigen, viskoelastischen Anteil. Der geschwindigkeitsunabhängige, plastische Anteil wurde als Differentialgleichung auf Grundlage der so genannten endochronen Plastizitätstheorie formuliert.
Die Parameter der Materialmodelle werden auf Grundlage der Messergebnisse stationärer Warmzugversuche an Baustahlproben identifiziert.
Sowohl das nichtlinear-elastische EC 3-1-2-Materialmodell als auch das thermoelastisch-viskoplastische Materialmodell mit den an Baustahl angepassten Materialparametern wird numerisch für die Verwendung mit Finite-Elemente-Programmen aufbereitet und als UMAT-Subroutine für ABAQUS in der Programmiersprache FORTRAN implementiert. Hierbei wird insbesondere auf die Bereitstellung der konsistenten Tangentenoperatoren Wert gelegt, um eine effiziente numerische Berechnung bei Verwendung der Materialmodelle zu ermöglichen.
Abschließend werden erste Simulationsrechnungen vorgestellt, um beispielhaft die Möglichkeiten der Anwendung der entwickelten und implementierten Materialmodelle für Simulationen von Stahlkonstruktionen im Brandfall aufzuzeigen.
Stichworte: Brandschutz, Stahl, Brandverhalten, Finite-Elemente-Methode, Materialmodell, Eurocode 3-1-2, UMAT
1Ist das Materialverhalten abhängig von der Prozessgeschwindigkeit, wird es als geschwindigkeitsabhängig bezeichnet. Prozesse können sowohl dehnungs- als auch spannungs- oder temperaturgesteuert sein. Die Begriffe zeitabhängig und zeitunabhängig werden hier vermieden, da diese in der Materialwissenschaft mit Alterungsprozessen (’aging’) in Verbindung gebracht werden.
Reaktive Brandschutzsysteme
(2022)
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.
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.
Reaktive Brandschutzsysteme
(2022)
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 vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Verwendung von RBS auf Stahlkonstruktionen. Neben einer umfassenden Darstellung der aktuellen nationalen und europäischen Regelungen zu RBS, werden technologische Besonderheiten und deren Einfluss auf den Regelungsinhalt im Beitrag thematisiert. Dabei werden neben sich abzeichnenden Neuerungen auch die entsprechenden wissenschaftlich-technologischen Grundlagen dargelegt. Ferner wird die Frage nach der Bewertung der Dauerhaftigkeit von RBS für deutlich über 10 Jahre hinausgehende Zeiträume, und den sich damit einstellenden Feuerwiderstand der Konstruktion behandelt. Der Beitrag schließt mit einer Darstellung zur aktuellen Forschung. Daraus abgeleitet wird ein Ausblick auf zukünftige Forschungsthemen.
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.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein standardisiertes Prüf- und Bewertungsverfahren zur Bestimmung des Beitrags reaktiver Brandschutzsysteme (RBS) zum Feuerwiderstand von Stahlzuggliedern zu erarbeiten und dieses in ein Entwurfsdokument für eine europäische Prüfnorm zu überführen. Hierzu wurden einerseits bereits vorhandene Erfahrungen und Erkenntnisse genutzt und andererseits mittels Brandversuchen neue Prüfdaten zur Beantwortung bisher offengebliebener Aspekte zum Einfluss der Bauteilorientierung und Profilart erzeugt und ausgewertet. Dadurch wird die prüftechnische Grundlage für eine sichere, zulassungsbasierte Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf zugbeanspruchten Stahlbauteilen gelegt und ein einheitliches Sicherheitsniveau etabliert.
Der im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelte Normentwurf wurde mit den Fachexperten der zuständigen nationalen und europäischen Normungsgremien diskutiert und abgestimmt. Das erarbeitete Prüf- und Auswertungsverfahren basiert auf der Durchführung von Brandversuchen an mechanisch belasteten Stahlzuggliedern mit RBS. Ergänzend sind unbelastete Brandversuche zur Beurteilung des Einflusses der Bauteilorientierung sowie der Eignung bei Schwelbrandbeanspruchung möglich. Die im Projekt durchgeführten experimentellen Untersuchungen liefern die Grundlage für den im Normenentwurf vorgeschlagenen Prüfaufbau der mechanisch belasteten und unbelasteten Brandversuche. Ferner konnte durch die Untersuchungen gezeigt werden, dass sich unter bestimmten Voraussetzungen die Prüfergebnisse von Stahlzuggliedern mit Kreisvollprofil ohne zusätzliche Brandversuche auf entsprechende Zugglieder mit Rechteckvollprofil übertragen lassen. Darüber hinaus konnte belegt werden, dass die Leistungsfähigkeit eines RBS aufgrund unterschiedlicher Bauteilorientierungen abnehmen kann und daher zwingend beim Anwendungsbereich des RBS zu berücksichtigen ist. Hierzu wird ein Temperaturdifferenz-kriterium vorgeschlagen, bei dessen Einhaltung die Wirksamkeit des RBS bei von der horizontalen Referenzorientierung abweichenden Bauteilneigungen noch gleichwertig gegeben ist. Andernfalls bietet der Normenentwurf die Möglichkeit die reduzierte thermische Schutzwirkung des RBS im Assessment zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse aus dem Forschungsvorhaben wurden bereits auf einem wissenschaftlichen Symposium vorgestellt sowie in einer referierten Fachzeitschrift publiziert. Ferner wurden die Informationen zum Forschungsprojekt und dem Normenentwurf im Rahmen eines Anwenderworkshops interessierten Kreisen zugänglich gemacht. Der im Projekt ausgearbeitete Normenentwurf wird dem zuständigen europäischen Normungsgremien, CEN/TC 127/WG 1, zur Verfügung gestellt und dort zur Abstimmung gestellt.
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.