3D numerische Analyse von Beton- und Stahlbetonbauteilen unter Brandbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde ein drei-dimensionales thermo-hygro-mechanisches Modell für die Simulierung von Betonverhalten unter hoher Temperatur entwickelt und in ein 3D FE Programm eingebaut. Das Model berücksichtigt den durch hohe Temperaturen bedingten Feuchtetransport und Phasenumwandlung des freien, chemisch und physikalisch gebundenen Wassers, wodurch die Entwicklung vom Porendruck berechnet werden kann. Weiterhin werden im Modell die temperaturbedingte Abnahme der mechanischen Eigenschaften des Betons sowie die Entstehung von thermischen, teilweise irreversiblen (plastischen) Dehnungen erfasst. Die Modellierung bzw. Berücksichtigung dieser Prozesse ermöglicht eine FE Berechnung von explosiven Betonabplatzungen. Das Modell wird anschließend für die Untersuchung von normalfesten und hochfesten Betone, hinsichtlich des Versagens durch explosive Abplatzungen, eingesetzt. Anhand von den Ergebnissen der FE Berechnungen wurde das Abplatzungsphänomen erklärt. Weiterhin wurden parametrische Studien durchgeführt, um den Einfluss von Permeabilität, Porenfeuchtigkeit und Erhitzungsrate auf das Abplatzungsversagen zu untersuchen. Oben beschriebene Einflüsse wurden am Beton normaler Festigkeit {fc = 30 MPa) und am Beton höher Festigkeit (fc = 80 MPa) untersucht. Schließlich wurden Berechnungen durchgeführt, um den Einfluss von thermischen Dehnungen auf die explosive Abplatzung zu prüfen. Die Ergebnisse der numerischen Berechnungen, die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführt wurden, dienen in erster Linie dazu, das Phänomen der explosiven Abplatzungen vom Beton unter hohen Temperaturen zu verstehen und zu erklären. Obwohl die numerisch berechneten Einflüsse von Permeabilität, Erhitzungsrate und relativen Porenfeuchtigkeit auf die Abplatzungswahrscheinlichkeit logisch erscheinen, ist unbedingt eine Überprüfung durch Versuche notwendig. Dadurch könnten nicht nur die erzielten Ergebnisse verifiziert, sondern auch weiteres Kalibrieren des thermo-hygro-mechanischen Modells durchgeführt werden. Das entwickelte thermo-hygro-mechanische Modell eignet sich für verschiedene Untersuchungen von Stahlbetonbauteilen unter hohen Temperaturen. Die Untersuchungen von Bauteilen unter Brandbeanspruchung durch Versuche sind sehr anspruchsvoll, kostspielig und im Fall sehr großen Bauteilen gar nicht machbar. Das entwickelte Modell kann zum Teil als Ersatz für diese Versuche dienen. Weiterhin ermöglicht das Modell eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit, dass in einem Bauteil explosive Abplatzung auftritt. Diese Abschätzung ist vor allem im Tunnelbau von großer Bedeutung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 3D Thermo-hygro-mechanical model for concrete. Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures - Proceedings of the 6th international conference on fracture mechanics of concrete and concrete Structures, Catania, Italy, 17-22 June 2007. Taylor & Francis, 2007, pp. 533-540. - Volume 2: Design, Assessment and Retrofitting of RC Structures; ISBN 978-0-415- 44616-7
J. Ozbolt, G. Periskic and R. Eligehausen
- 3D Thermo-hygro-mechanical model for concrete. The 6th international conference on fracture mechanics of concrete and concrete structures, Catania, Italy, 17-22 June 2007
J. Ozbolt, G. Periskic and R. Eligehausen
- Numerical analysis of spelling of concrete cover at high temperature. 2nd Symposium on Connections between Steel and Concrete. Stuttgart, Germany, 4-7 September 2007
J. Ozbolt, G. Periskic, H.-W. Reinhardt and R. Eligehausen
- Numerical analysis of spelling of concrete cover at high temperature. In: Proceedings of the 2nd Symposium on Connections between Steel and Concrete. Universität Stuttgart, September 4th - 7th, 2007, Stuttgart, Germany, 2007, pp. 881-891
J. Ozbolt, G. Periskic, H.-W. Reinhardt and R. Eligehausen
- Experimental and numerical study of hygro-thermo-mechanical properties of „Schilfsandstein" from Baden-Württemberg. In: Environmental Geology 56 (2008), Nr. 3-4, pp. 535-546
J. Ozbolt, G. Grassegger, P. Van der Veken, G. Periskic and H.-W. Reinhardt
- Numerical Analysis of Spelling of Concrete Cover at High Temperature. 5th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, Venice, Italy, 30 June - 4 July 2008
J. Ozbolt, G. Periskic and H.-W. Reinhardt
- Numerical analysis of spelling of concrete cover at high temperature. Computers & Concrete, Vol. 5, No. 4, 2008, pp. 279-293
J. Ozbolt, G. Periskic, H.-W. Reinhardt and R. Eligehausen
- Entwicklung eines 3D FE hygro-thermo-mechanischen Models für Beton unter Brandbeanspruchung und Anwendung auf Befestigungen unter Zuglasten. Dissertation, Universität Stuttgart, 2009
G. Periskic
- Numerical Modeling of Explosive Failure of Concrete due to Fire. The 1st International Conference on Computational Technologies in Concrete Structures, Jeju, Korea, 24-27 May 2009
G. Periskic, J. Ozbolt and M. Jelcic
