Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung und Optimierung des Brandverhaltens von Ultra-Hochfestem Beton (UHPC)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bezüglich des Abplatzverhaltens von UHPC wurden eine Reihe von Untersuchungen an klein-, mittel- und realmaßstäblichen Versuchen durchgeführt, die gezeigt haben, dass nicht optimierter UHPC ein ähnliches Abplatzverhalten wie HPC zeigt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass durch Zugabe von PP-Fasern mit einem Anteil ab 2 kg/m³ die Abplatzungen auf ein vernachlässigbares Maß begrenzt werden können. In Verbindung mit einer Bekleidung oder einer Beschichtung durch Hochleistungsbrandschutzbeschichtung reichen bereits PP-Fasergehalte von 0,5 kg/m³ aus, um ein Abplatzen des UHPC zu vermeiden. Die Begrenzung von Abplatzungen ist eine wesentliche Voraussetzung für die brandsichere Verwendung von UHPC im Hochbau. Die weiteren Untersuchungen der temperaturabhängigen thermischen und mechanischen Materialeigenschaften wurden daher vorzugsweise auf Grundlage der Mischung B5Q mit einem PP-Fasergehalt von 2,25 kg/m³ durchgeführt. Diese Mischung repräsentiert einen typischen UHPC und eignet sich daher als Basis für die Ermittlung von Bemessungsgrundlagen für den Brandfall. Die thermischen Materialeigenschaften wurden experimentell bestimmt und zwar die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit mit der Transient-Plane-Source Methode, die temperaturabhängige Rohdichte mit Hilfe der thermogravimetrischen Analyse (TGA) und die spezifische Wärmespeicherkapazität mit der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC). Die gewonnenen Daten wurden analog zu den Angaben im Eurocode 2 für normalfesten Beton dargestellt. Die Wärmeleitfähigkeit von UHPC ist höher als die von Normalbeton, die Rohdichte nimmt zu Beginn der Erwärmung stärker, nach etwa 400°C jedoch langsamer ab als bei Normalbeton, die Ergebnisse für die spezifischen Wärmespeicherkapazitäten von normal- und ultra-hochfestem Beton unterscheiden sich nur gering. Temperaturabhängige Spannungs-Dehnungsbeziehungen für UHPC wurden mit den aus stationären und instationären Versuchen gewonnenen temperaturabhängigen Druckfestigkeiten und Warmkriechdehnungen ermittelt. Im Temperaturbereich von 50°C bis etwa 300°C kann analog zum HPC ein Abfall der Festigkeit beobachtet werden, der mit steigender Temperatur jedoch wieder kompensiert wird. Auffällig ist der geringere und erst bei höheren Temperaturen auftretende Festigkeitsverlust von UHPC im Vergleich zum Normalbeton. So wurden bei 800°C immer noch Festigkeiten von etwa 70 % erreicht. Die gemessenen thermischen Dehnungen von UHPC sind mit etwa 5 ‰ deutlich geringer als die von Normalbeton, welche nach Eurocode 2 14 ‰ betragen. Die Validierung der entwickelten Materialmodelle erfolgte mithilfe von realmaßstäblichen Versuchen an UHPC-Stützen, welche mit unterschiedlichen Belastungen und einer Temperaturbeanspruchung nach der Einheits-Temperaturzeitkurve beaufschlagt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Bauteiltemperaturen im Stützenquerschnitt sehr gut ist. Im Vergleich mit den gemessenen Bauteilverformungen zeigte sich in der Berechnung eine geringe Überschätzung der Verformung bzw. eine Unterschätzung der Bauteilsteifigkeit, was zu einer um etwa 3 min bis 10 min zu geringen Feuerwiderstandsdauer führt. Die Wirksamkeit von PP-Fasern zur Vermeidung von Abplatzungen konnte gezeigt werden, offen blieb jedoch die Frage nach der Abhängigkeit des Abplatzverhaltens von Gesteinskörnung und Zementart und nach der gegenseitigen Beeinflussung von PP-Fasern und Stahlfasern. Bezüglich einer systematischen Abhängigkeit der thermischen und thermo-mechanischen Materialkennwerte von der Betonfestigkeit, Betonzusammensetzung (Gesteinskörnung, Zementart) und der Erwärmungsgeschwindigkeit als brandbeschreibendem Parameter besteht noch Klärungsbedarf. Ein weiterer wichtiger Punkt wäre die Untersuchung der thermischen und thermomechanischen Materialkennwerte bei ansteigender und wieder abklingender Temperaturbeanspruchung, wie sie bei einer rechnerischen Simulation von natürlichen Bränden auftritt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Grundlagen für die Brandschutzbemessung von Bauteilen aus ultrahochfestem Beton. In: Hosser, D. (Ed.): Braunschweiger Brandschutztage 2011. iBMB TU Braunschweig, 2011
Kampmeier, Björn; Hollmann, Dirk
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Behaviour of Ultra High Performance Concrete (UHPC) in Case of Fire. In: Schmidt, M. et al. (Ed.): Ultra-High Performance Concrete and Nanotechnology in Construction. Proc. of Hipermat 2012 - 3rd International Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Materials. University of Kassel, March 07-09, 2012 (Structural Materials and Engineering Series, 19), pp. 573–582, kassel university press, Kassel, 2012
Hossser, Dietmar; Kampmeier, Björn; Hollmann, Dirk
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Brandverhalten von ultrahochfestem Beton. In: Nothnagel, R.; Twelmeier, H. (Ed.): Baustoff und Konstruktion. Festschrift zum 60. Geburtstag von Harald Budelmann, pp. 457–468, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2013
Hosser, Dietmar; Kampmeier, Björn; Hollmann, Dirk
