Theoretical and experimental investigations to extend the calculation basis of different types of concretes exposed to natural fire
Construction Material Sciences, Chemistry, Building Physics
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde das thermische und thermo-mechanische Materialverhalten von normalfestem, hochfestem und ultrahochfestem Beton bei Naturbrandbeanspruchung untersucht. Speziell für die Abkühlphase bestanden hinsichtlich der anzusetzenden Materialkennwerte Kenntnislücken. In Anhang C des Eurocodes 4-1-2 werden Angaben zur näherungsweisen Berücksichtigung des mechanischen Verhaltens von Beton in der Abkühlphase bereitgestellt, diese gelten jedoch bisher als nicht ausreichend validiert. Angaben zur Berücksichtigung der thermischen Materialeigenschaften (Rohdichte, spezifische Wärmekapazität und thermische Leitfähigkeit) während der Abkühlphase sind weder in Eurocode 2-1-2 noch in Eurocode 4-1-2 enthalten. Auf Grundlage der im Vorhaben durchgeführten Laborversuche wurden die in Eurocode 2-1-2 enthaltenen thermischen Materialkennwerte um einen Ansatz für die Abkühlphase erweitert und deren allgemeine Übertragbarkeit auf ultrahochfesten Beton vorgeschlagen. Hierbei weisen die temperaturabhängige Rohdichte sowie spezifische Wärme während der Abkühlphase in Abhängigkeit der maximal erreichten Temperatur einen konstanten bzw. linearen Verlauf auf. Die Untersuchungen zur thermischen Leitfähigkeit haben gezeigt, dass diese unterhalb, und in erster Näherung parallel zur der in Eurocode 2-1-2 enthaltenen oberen Grenzfunktion verläuft. Hinsichtlich der thermo-mechanischen Materialkennwerte konnte auf Grundlage der durchgeführten stationären und instationären Versuche gezeigt werden, dass der in Anhang C des Eurocodes 4-1-2 enthaltene Ansatz für die Abkühlphase bei Maximaltemperaturen bis 500 °C das Hochtemperaturmaterialverhalten in guter Näherung abbildet. Für Temperaturen von über 500 °C mit anschließender Abkühlphase sind die Ergebnisse jedoch künftig noch abzusichern. Im Rahmen von durchgeführten realmaßstäblichen Validierungsversuchen an Stahlbetonstützen wurde gezeigt, dass Stützen aus Normalbeton bei Temperaturen > 700 °C und anschließender Abkühlphase im Vergleich zu Stützen aus ultrahochfestem Beton ein signifikant unterschiedliches Materialverhalten aufweisen. Während sich die Normalbeton-Stützen bei Temperaturen > 700 °C während der Aufheizphase kontinuierlich ausdehnen, treten bei den Stützen aus ultrahochfestem Beton bei Temperaturen > 700 °C Stauchungen auf. Dies resultiert aus den im Vergleich zu Normalbeton etwa doppelt so großen instationären Kriechdehnungen bei ultrahochfestem Beton. Die Stützen aus hochfestem Beton ähneln in ihrem Verformungsverhalten zu Beginn der Brandbeanspruchung den Normalbeton-Stützen. Aufgrund von massiven Betonabplatzungen trat bei den Stützen aus hochfestem Beton ein vorzeitiges Versagen ein. Im Rahmen der Großversuche wurde bei den Stützen aus hochfestem und ultrahochfestem Beton festgestellt, dass bei Naturbrandbeanspruchung tendenziell stärkere Abplatzungen auftreten. Da natürliche Brände sehr unterschiedlich ausgeprägt sein können und der Temperaturgradient im hohen Temperaturbereich (> 600 °C) den der Einheits-Temperaturzeitkurve mitunter übersteigen kann, besteht neben der weiteren Untersuchung der thermo-mechanischen Materialkennwerte bei Temperaturen > 500 °C mit anschließender Abkühlphase für die Betrachtung unterschiedlicher Aufheizraten im Temperaturbereich > 500 °C noch Klärungsbedarf.
Publications
- Betonverhalten in der Abkühlphase. In: 4. Jahrestagung und das 57. Forschungskolloquium des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) am 16. und 17. November 2016 in Braunschweig
Lyzwa, J.
- Thermal material properties of concrete in the cooling phase. Applications of Fire Engineering: Proceedings of the International Conference of Applications of Structural Fire Engineering (ASFE 2017), Manchester, UK, September 7-8, 2017
Lyzwa, J.; Zehfuss, J.
- Thermische Materialeigenschaften von Beton in der Abkühlphase. In: Braunschweiger Brandschutz-Tage 2017: 31. Fachtagung Brandschutz – Forschung und Praxis, Braunschweig, 13. - 14. September, 2017
Zehfuß, J.; Lyzwa, J.
- Thermo-mechanical material properties of concrete in the cooling phase. In: Proceedings of the seventh international conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation (SEMC 2019), Cape Town, ZAF, September 2-4, 2019
Lyzwa, J.; Zehfuß, J.
