Explosive Abplatzung von Beton unter Brandbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, um das Abplatzverhalten von Hochleistungsbeton ohne und mit Polypropylenfasern zu untersuchen. Es wurden zwei Serien von Brandexperimenten an plattenförmigen Probekörpern durchgeführt. Die Proben wurden einer Brandbelastung nach Einheitstemperaturzeitkurve (ISO 834) in der ersten und der Temperaturzeitkurve nach den “Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV- ING)“ in der zweiten Versuchsserie ausgesetzt. Es wurde gezeigt, dass der Beton ohne PP-Fasern für explosive Abplatzungen sehr anfällig ist. Der Beton mit PP-Fasern zeigte dagegen keine Abplatzungen, sondern nur Verfärbungen des Zementsteins. Mit der Schallemissionsanalyse wurden Daten bei allen durchgeführten Experimenten aufgezeichnet und ausgewertet. Damit war es möglich, die Unterschiede zwischen Experimenten mit unterschiedlichen Versuchsparametern in den Messergebnissen zu erkennen und mit der numerischen Simulation zu vergleichen. Probleme bei der Lokalisierung ergeben sich durch die Änderung der Schallgeschwindigkeit in den Probekörpern aufgrund der Temperatureinwirkung. Diese Änderungen konnten durch zusätzliche Messsysteme (vor allem auf Ultraschallbasis) erfasst werden. Um das Ergebnis in die Lokalisierungsberechnungen zu integrieren, wurden erste Ansätze entwickelt. Für deren Umsetzung wären aber weitere Untersuchungen notwendig gewesen. Es wurde eine neue Versuchseinrichtung für Permeabilitätsmessungen bei hohen Temperaturen entwickelt und für die Permeabilitätsmessungen der zwei Betone (ohne und mit PP Fasern) bei Raum- und erhöhten Temperaturen eingesetzt. Die Permeabilität des Betons ohne Fasern steigt stetig mit zunehmender Temperatur, was zum größten Teil auf die Änderung der Porengrößenverteilung zurückzuführen ist. Andererseits weist der Faserbeton einen sehr ausgeprägten Sprung im Bereich zwischen 80°C und 130°C auf, was deutlich unter der Schmelztemperatur (160°C) liegt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Schmelzen der PP Fasern nicht der einzige Mechanismus ist, der zur Permeabilitätserhöhung führt. Einer der vorstellbaren Mechanismen ist, dass das komprimierte Gas (bzw. der Wasserdampf) die aufgeweichten Fasern staucht, und es sich dadurch zwischen Faser und Mörtelmatrix durchdringt. Mittels mikroskopischer Untersuchungen wurde gezeigt, dass die Faserschmelze nur in die Mikrorisse, aber nicht in die Zementmatrix eindringen kann. Numerische Untersuchungen haben bestätigt, dass das thermo-hygro-mechanische Modell in der Lage ist, die explosiven Abplatzungen abzubilden. Es wurden umfangreiche Parameterstudien auf der Makro- und Mesoebene durchgeführt, wobei der Einfluss der relevanten Parameter auf die explosiven Abplatzungen untersucht wurde. Unter Anwendung der makroskopischen Modelle konnte das Verhalten nur teilweise erfasst werden. Der lokale Charakter der explosiven Abplatzungen und die starken räumlichen und zeitlichen Variationen der mechanischen und physikalischen Betoneigenschaften, Dehnungen und Spannungen erforderten die Anwendung der Mesomodelle. Auf der Mesoebene wurde Beton als drei-phasiger Werkstoff (Mörtel, Zuschläge und Kontaktschicht) modelliert. Es konnten die Einflüsse der Permeabilität, relativen Feuchtigkeit, Vorbelastung (Druck) realistisch erfasst werden. Die Ergebnisse auf der Mesoebene zeigen, dass die explosiven Abplatzungen nur durch eine Kombination der thermischen Druckspannungen und des Porendruckes auftreten können bzw. dass der Porendruck ein Auslöser der durch die thermischen Spannungen hervorgerufenen potenziellen Energie ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010). „Acoustic emission analysis and thermo-hygro-mechanical model for concrete exposed to fire“, Journal of Acoustic Emission, 28, pp. 188-203
Grosse, C., Ožbolt, J., Richter, R. and Periškić, G.
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(2011). „Numerical simulation of concrete exposed to high temperature“. Jahresbericht 2008/2012 Activities, Mitteilungen des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart, Band 2011/1, Stuttgart, pp. 95-102
Ožbolt, J., Bošnjak, J., Periškić, G. and Grosse, C.
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(2013). „3D Numerical analysis of reinforced concrete beams exposed to elevated temperatures”, Engineering Structures
Ožbolt, J., Bošnjak, J., Periškić, G. and Sharma, A.
