Auswirkungen des thermischen Zwangs bei druckbeanspruchten Stahlbetonbauteilen unter Berücksichtigung des Verhaltens des Gesamttragwerkes

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sascha Hothan; Professor Dr.-Ing. Jochen Zehfuß
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510524699

Thermischer Zwang in Bauteilen unter Brandbeanspruchung kann sowohl infolge auftretender Temperaturgradienten durch internen Zwang als auch infolge der verhinderten thermischen Ausdehnung eines Bauteils durch äußeren Zwang auftreten. Letzterer entsteht vor allem durch die Interaktion von brandbeanspruchten Bauteilen mit dem umgebenden, ggf. kalten Tragwerk. Im Brandfall kann sich Zwang sowohl positiv als auch negativ auf den Feuerwiderstand von Bauteilen auswirken. Die Interaktion des brandbeanspruchten Bauteils mit dem umgebenden Tragwerk und daraus resultierende Zwangsbeanspruchungen werden bei Brandprüfungen in der Regel bisher nicht berücksichtigt. Sie treten jedoch in der Realität auf und sollen in dem vorliegenden Forschungsvorhaben näher untersucht werden. Der an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) vorhandene Stützenprüfstand ermöglicht die Abbildung von unverschieblichen als auch teilnachgiebigen Tragwerksumgebungen während der Brandprüfung von realmaßstäblichen Stahlbetonstützen mittels servohydraulischer Belastungseinrichtung. Somit können durch Zwang verursachte Lasten während des Brandversuchs verformungsabhängig aufgebracht und die Bauteilbeanspruchung realitätsnäher als bei klassischen Brandprüfungen abgebildet werden. Neben der experimentellen Untersuchung soll das Verhalten der Stahlbetonstützen unter Brandlast mittels eines Finite-Elemente-Modells abgebildet werden. Die Simulation des Stützenverhaltens wird dabei anhand der im Brandversuch ermittelten thermischen und mechanischen Messwerte kalibriert. Damit das Betonverhalten unter Zwangsbeanspruchungen in den numerischen Simulationen realitätsnah abgebildet werden kann, werden Materialkennwerte aus thermomechanischen Versuchen abgeleitet und daraus Materialmodelle entwickelt. Die Materialmodelle dienen als Eingangsparameter für die Stützensimulation. Die thermomechanischen Versuche erfolgen an Betonzylindern in der für Heißdruckprüfmaschine am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig. Im Rahmen des Projekts sollen sowohl durch die geplanten Brandversuche als auch die Simulationsrechnungen eine Vielzahl von Einflussparametern auf das Bauteilverhalten unter Zwang im Brandfall untersucht werden. Dazu gehören unter anderem der Einfluss einer exzentrischen Belastung der Stahlbetonstützen, der Einfluss der Stützen- und Tragwerkssteifigkeit sowie der Lastausnutzung. Aus den Ergebnissen der Brandversuche und der daran validierten numerischen Simulationsrechnungen sollen abschließend Empfehlungen für angepasste Brandversuche formuliert werden, die den aus der umgebenden Tragstruktur resultierenden Zwang praxistauglich berücksichtigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen