Zum Materialverhalten von Betonen in der Brandabkühlphase
von Jan LyzwaBauteile und Tragwerke müssen nicht nur unter Normalbedingungen, sondern auch unter definierten Brandeinwirkungen über einen bestimmten Zeitraum tragfähig sein. Die brandschutztechnische Bemessung erfolgt bisher in der Regel auf Grundlage der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK). Die ETK wird durch eine stetig ansteigende logarithmische Funktion beschrieben und soll auf der sicheren Seite liegend die möglichen thermischen Einwirkungen abdecken. Alternativ können Naturbrandkurven zur brandschutztechnischen Bemessung angewendet werden. Diese sind ein realistischeres Abbild eines Brandes als die ETK und ermöglichen in der Regel eine wirtschaftlichere Bemessung für den Brandfall.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Temperaturzeitkurven besteht darin, dass die ETK ausschließlich durch eine Aufheizphase gekennzeichnet ist, während natürliche Brände aus einer Aufheiz- und einer Abkühlphase bestehen. Die Tragfähigkeit muss bei natürlichen Bränden über die gesamte Branddauer – einschließlich der Abkühlphase – nachgewiesen werden. Die thermische Trägheit von Betonbauteilen kann zu einer verzögerten Erwärmung der innenliegenden Bereiche oder hohen Zugkräften im Querschnitt führen.
Während Stahl nach dem Ausbrennen eines Brandes seine ursprünglichen Materialeigenschaften nahezu wiedererlangt, zeigen Betonbauteile während des Abkühlprozesses im Vergleich zur Aufheizphase ein anderes Materialverhalten. Durch physikalische und chemische Reaktionen während der Aufheizphase ändern sich die Materialeigenschaften in der Abkühlphase und im abgekühlten Zustand des Betons.
Die in DIN EN 1992-1-2 enthaltenen Materialeigenschaften basieren auf Versuchsdaten, die auf Grundlage einer thermischen Beanspruchung gemäß der ETK ermittelt wurden. Hinsichtlich der Materialeigenschaften von Beton während der Abkühlphase existieren Kenntnislücken.
Diese Arbeit präsentiert experimentelle und numerische Untersuchungen der thermischen und thermo-mechanischen Materialeigenschaften von Normalbeton (CC), hochfestem Beton (HPC) und ultra-hochfestem Beton (UHPC) in der Brandabkühlphase.
Zur Ermittlung der thermischen Materialeigenschaften (Rohdichte, thermische Leitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität) in der Abkühlphase wurden verschiedene Verfahren eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist der Feuchtegehalt zu nennen, der für die Veränderung der Materialeigenschaften von erwärmtem und abkühlendem Beton einen wesentlichen Faktor darstellt.
Zur Ermittlung der thermo-mechanischen Materialeigenschaften wurden stationäre und instationäre Heißdruckversuche durchgeführt. Dafür wurden die etablierten Versuchsregime, die auf den Randbedingungen einer thermischen Beanspruchung gemäß Einheits-Temperaturzeitkurve basieren, modifiziert.
Zur Validierung der an kleinen Probekörpern ermittelten thermischen und thermo-mechanischen Materialkennwerte wurden 6 realmaßstäbliche Versuche an Stützen durchgeführt. Die abgeleiteten thermischen und thermo-mechanischen Materialfunktionen wurden in ein FE-Programm implementiert und mit den experimentellen Ergebnissen kalibriert.
Das Ergebnis der Arbeit stellt die Erweiterung der Berechnungsgrundlagen in DIN EN 1992-1-2 um eine Abkühlphase dar.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Temperaturzeitkurven besteht darin, dass die ETK ausschließlich durch eine Aufheizphase gekennzeichnet ist, während natürliche Brände aus einer Aufheiz- und einer Abkühlphase bestehen. Die Tragfähigkeit muss bei natürlichen Bränden über die gesamte Branddauer – einschließlich der Abkühlphase – nachgewiesen werden. Die thermische Trägheit von Betonbauteilen kann zu einer verzögerten Erwärmung der innenliegenden Bereiche oder hohen Zugkräften im Querschnitt führen.
Während Stahl nach dem Ausbrennen eines Brandes seine ursprünglichen Materialeigenschaften nahezu wiedererlangt, zeigen Betonbauteile während des Abkühlprozesses im Vergleich zur Aufheizphase ein anderes Materialverhalten. Durch physikalische und chemische Reaktionen während der Aufheizphase ändern sich die Materialeigenschaften in der Abkühlphase und im abgekühlten Zustand des Betons.
Die in DIN EN 1992-1-2 enthaltenen Materialeigenschaften basieren auf Versuchsdaten, die auf Grundlage einer thermischen Beanspruchung gemäß der ETK ermittelt wurden. Hinsichtlich der Materialeigenschaften von Beton während der Abkühlphase existieren Kenntnislücken.
Diese Arbeit präsentiert experimentelle und numerische Untersuchungen der thermischen und thermo-mechanischen Materialeigenschaften von Normalbeton (CC), hochfestem Beton (HPC) und ultra-hochfestem Beton (UHPC) in der Brandabkühlphase.
Zur Ermittlung der thermischen Materialeigenschaften (Rohdichte, thermische Leitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität) in der Abkühlphase wurden verschiedene Verfahren eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist der Feuchtegehalt zu nennen, der für die Veränderung der Materialeigenschaften von erwärmtem und abkühlendem Beton einen wesentlichen Faktor darstellt.
Zur Ermittlung der thermo-mechanischen Materialeigenschaften wurden stationäre und instationäre Heißdruckversuche durchgeführt. Dafür wurden die etablierten Versuchsregime, die auf den Randbedingungen einer thermischen Beanspruchung gemäß Einheits-Temperaturzeitkurve basieren, modifiziert.
Zur Validierung der an kleinen Probekörpern ermittelten thermischen und thermo-mechanischen Materialkennwerte wurden 6 realmaßstäbliche Versuche an Stützen durchgeführt. Die abgeleiteten thermischen und thermo-mechanischen Materialfunktionen wurden in ein FE-Programm implementiert und mit den experimentellen Ergebnissen kalibriert.
Das Ergebnis der Arbeit stellt die Erweiterung der Berechnungsgrundlagen in DIN EN 1992-1-2 um eine Abkühlphase dar.