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Organisationseinheit der BAM
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.
Zusätzliche Aussagen zum Werkstoffverhalten wie auch über werkstoffmechanischen Mechanismus von Bruchvorgängen überhaupt werden vom instrumentiert geführten Kerbschlagversuch in Kombination mit eingehender fraktographischer Auswertung erwartet. Ziel ist die Ermittlung von Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen (F) f, auch bei unterschiedlichen Temperaturen.
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.
Im Bauwesen werden Zugglieder aus Stahl in der Regel für Aussteifungsverbände, Abhängungen und Unterspannungen von Trägern verwendet. Die dafür verbauten, meist kreisförmigen Vollprofile dienen häufig der Stabilisierung des Tragwerks. Ein Versagen der Stahlzugglieder kann zu einem Einsturz der gesamten Konstruktion führen.
Unter Brandeinwirkung verlieren ungeschützte Stahlkonstruktionen aufgrund der schnellen Erwärmung frühzeitig ihre Tragfähigkeit. Durch den Einsatz reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlbauteilen kann deren Erwärmung verlangsamt und dadurch der Feuerwiderstand verbessert werden. Die Optik der oftmals filigranen Stahlzugglieder bleibt dabei im Wesentlichen unverändert.
Für die Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit Vollquerschnitt gibt es derzeit in den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen keine Regelungen. Die an der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen [35] sowie die darauf aufbauenden Erkenntnisse dieser Dissertation hinsichtlich des Verhaltens reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil bilden die Grundlage für eine Erweiterung des Anwendungsbereiches dieser Produkte. Eine Anwendung ist grundsätzlich möglich. Aufgrund der meist für Zugglieder eingesetzten filigranen Vollquerschnitte sowie der in Bezug auf die Tragfähigkeit fehlenden Umlagerungsmöglichkeit werden besonders hohe Anforderungen an die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit von reaktiven Brandschutzsystemen gestellt. Anhand der Ergebnisse aus den Brandversuchen sowie theoretischer Betrachtungen ist festzustellen, dass das auf kreisförmigen, zugbeanspruchten Stahlprofilen aufgebrachte reaktive Brandschutzsystem aufgrund der notwendigen dreidimensionalen Ausdehnungsrichtung der höchst möglichen Beanspruchung ausgesetzt ist. Mit Hilfe von Leistungskriterien zur Bestimmung der Tragfähigkeit, welche im Rahmen der Dissertation entwickelt wurden, lassen sich die in Brandversuchen unter axialer Zugbeanspruchung getesteten Stahlzugglieder mit reaktiver Brandschutzbeschichtung in Feuerwiderstandsklassen einordnen.
Für die Beurteilung der thermischen Schutzwirkung des reaktiven Brandschutzsystems werden die Erwärmungsgeschwindigkeit, die maximale Stahltemperatur sowie die Rissbildung und das Rissheilungsvermögen der Beschichtung herangezogen. Die Brandversuche haben gezeigt, dass die Profilgeometrie, die Höhe der Trockenschichtdicke der Beschichtung, die Höhe der aufgebrachten Zugbeanspruchung sowie die Orientierungsrichtung der Zugglieder einen wesentlichen Einfluss auf die thermische Schutzwirkung des reaktiven Brandschutzsystems ausüben. Zudem stehen diese Faktoren in gegenseitiger Wechselwirkung. Durch Abstimmung der genannten Einflussgrößen lässt sich die Wirkung der Brandschutzbeschichtung optimieren. Durch die Vielzahl an reaktiven Brandschutzsystemen und die in den Produkten variierende chemische Zusammensetzung ist deren Aufschäumverhalten und thermische Schutzwirkung sehr unterschiedlich und kaum vorhersagbar. Die Wirksamkeit des reaktiven Brandschutzsystems ist daher für Grenzfälle des vom Hersteller definierten Anwendungsbereichs durch Brandversuche zu überprüfen. Empfehlungen zur Durchführung dieser Versuche sind im Forschungsbericht [35] beschrieben.
Bei Verwendung von kaltverformtem Blankstahl für Stahlzugglieder mit Vollprofil sind andere Hochtemperatureigenschaften als bei dem typischerweise für Träger und Stützen eingesetzten warmgewalztem Baustahl zu berücksichtigen. Kaltverformter Blankstahl weist gegenüber herkömmlichem Baustahl einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient und andere temperaturabhängige Abminderungsfaktoren für die Stahlfestigkeit auf. Die in experimentellen Untersuchungen für Blankstahl ermittelten Materialeigenschaften können für die Heißbemessung von Zuggliedern mit Vollprofil aus entsprechendem Material verwendet werden. In Kombination mit Temperaturdaten aus Brandversuchen lässt sich mittels eines auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelten numerischen Berechnungsmodells das Trag- und Verformungsverhalten von Zuggliedern realitätsnah berechnen. Vergleiche zur Stablängsverformung von in Brandversuchen getesteten Zuggliedern zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus dem im Rahmen der Dissertation neu entwickelten Bemessungsmodell.
Die BAM wurde vom Industriegaseverband (IGV) zur Beantwortung der Frage, ob eine positive Neubewertung von in Deutschland zugelassenen Bauarten im Sinne der europäischen Richtlinie über ortsbewegliche Druckgeräte (RL 1999/36/EG) möglich ist, mit der Erstellung eines Gutachtens beauftragt. Es soll insbesondere die systematische Entwicklung der Zulassungsanforderungen für diese Art von Druckgefäßen in Deutschland berücksichtigen.
Explizit sind im Rahmen des Auftrages zu betrachten: Bauarten von nahtlosen Gasflaschen aus Stahl mit einer Zugfestigkeit (Rm) von weniger als 1.100 MPa für Industriegase, deren Zulassung ohne jedwede Art von Auflagen oder Einschränkungen auf der Basis der Druckgasverordnung (vom 20. Juni 1968) und nachfolgend der Druckbehälterverordnung erteilt wurde.
Aufgrund der systematischen Betrachtung können Bauarten, deren Zulassungen unter irgendeiner Art von Betriebsauflagen oder sonstigen Einschränkung erteilt worden sind, nicht mit diesem Gutachten erfasst werden.
Dies Gutachten analysiert die Unterschiede in den Beschaffenheitsanforderungen nach Druckgas- bzw. Druckbehälterverordnung gegenüber dem geltenden RID/ADR 2007. Es soll den benannten Stellen nach Richtlinie 1999/36/EG (TPED) eine Vereinfachung ihrer Bewertungsarbeit zur Neubewertung von in Deutschland zugelassenen Gasflaschen ermöglichen.
Für die Anwendung dieses Gutachtens wird auf die sog. „Flaschen-Negativliste“ der EIGA
(Doc. 86/02 „Gas cylinders with restricted use in the EU“) und ggf. auf weitere zukünftig verfügbare Erkenntnisquellen verwiesen. Die dort beschriebenen Flaschen, u. a. aus Deutschland, werden unabhängig von der formalen Konformität mit der Richtlinie 1999/36/EG von den Mitgliedern der EIGA bzw. des IGV nicht den benannten Stellen zur wiederkehrenden Prüfung und damit auch nicht zur Neubewertung vorgestellt.
Dieses Gutachten ersetzt das Gutachten zur Neubewertung von vorhandenen und in Deutschland ohne Auflagen oder Einschränkungen zugelassenen Bauarten von nahtlosen Stahlflaschen, Gutachten der BAM vom 21. August 2001; Gutachter: Mair, G. W. und Müller, H.-J. und die gleichnamige Überarbeitung (Rev. 1) vom 20. Juli 2007.
Die BAM wurde vom Industriegaseverband (IGV) zur Beantwortung der Frage, ob eine positive Neubewertung von in Deutschland zugelassenen Bauarten geschweißter Gasflaschen aus Stahl im Sinne der europäischen Richtlinie über ortsbewegliche Druckgeräte (RL 1999/36/EG) möglich ist, mit der Erstellung eines Gutachtens beauftragt. Es soll insbesondere die systematische Entwicklung der Zulassungsanforderungen für diese Art von Druckgefäßen in Deutschland berücksichtigen.
Explizit sind im Rahmen des Auftrages zu betrachten: Bauarten von geschweißten Gasflaschen aus Stahl für Gase, wie von der EN 13322-1:2006 und EN 1442:2008 erfasst, deren Zulassung ohne jedwede Art von Auflagen oder Einschränkungen auf der Basis der Druckgasverordnung (vom 20. Juni 1968) oder nachfolgend der Druckbehälterverordnung erteilt wurde.
Aufgrund der systematischen Betrachtung können Bauarten, deren Zulassungen unter irgendeiner Art von Betriebsauflagen oder sonstigen Einschränkungen erteilt worden sind, nicht von diesem Gutachten erfasst werden.
Dieses Gutachten analysiert die Unterschiede in den Beschaffenheitsanforderungen nach Druckgas- bzw. Druckbehälterverordnung gegenüber dem geltenden RID/ADR 2009. Es soll den benannten Stellen nach Richtlinie 1999/36/EG (TPED) eine Vereinfachung ihrer Bewertungsarbeit zur Neubewertung von in Deutschland zugelassenen Gasflaschen ermöglichen.
Für die Anwendung dieses Gutachtens wird auf die sog. „Flaschen-Negativliste“ der EIGA (Doc. 86/02 Gas cylinders with restricted use in the EU WG-2) und ggf. weitere zukünftig verfügbare Erkenntnisquellen verwiesen. Die dort beschriebenen Flaschen u. a. aus Deutschland werden unabhängig von der formalen Konformität mit der Richtlinie 1999/36/EG von den Mitgliedern der EIGA bzw. des IGV nicht den benannten Stellen zur wiederkehrenden Prüfung und damit auch nicht zur Neubewertung vorgestellt.