Brandverhalten von Befestigungen mit groem Randabstand in Beton bei zentrischer Zugbeanspruchung

Von der Fakultt fr Bauingenieur- und Vermessungswesen

der Universitt Stuttgart genehmigte Abhandlung

zur Erlangung der Wrde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

Vorgelegt von

Michael Reick aus Gppingen

Tag der mndlichen Prfung: 23. Mai 2001

Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. R. Eligehausen

Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. M. Fontana

Prof. Dr.-Ing. B. Novk

Institut fr Werkstoffe im Bauwesen der Universitt Stuttgart

2001

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Vorwort

Der Grundstein fr die vorliegende Arbeit entstand whrend meiner Ttigkeit am

Institut fr Werkstoffe im Bauwesen der Universitt Stuttgart sowie an der

Forschungs- und Materialprfungsanstalt Baden-Wrttemberg (Otto-Graf-Institut).

Allen, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben, gilt mein herzlicher Dank:

Herrn Prof. Dr.-Ing. R. Eligehausen fr die Idee zu dieser Arbeit, seine

Untersttzung sowie die bernahme des Hauptberichts,

Herrn Prof. Dr.-Ing. M. Fontana und Herrn Prof. Dr.-Ing. B. Novk fr das der

Arbeit entgegengebrachte Interesse und die bernahme des Mitberichts,

den Mitarbeitern des Otto-Graf-Institutes fr die engagierte Mitarbeit an den

experimentellen Untersuchungen. Stellvertretend sei hierfr mein ehemaliger

Kollege W. Hennig erwhnt, der leider viel zu frh von uns gegangen ist. Ohne

ihn wren die Brandversuche am Otto-Graf-Institut nicht in der vorliegenden Form

mglich gewesen,

den Herren Dr.-Ing. habil. J. Obolt, Dr.-Ing. R. Pukl, Dr.-Ing. Y. Li und Dipl.-Ing.

U. Mayer fr die Untersttzung bei den Finite-Elemente-Berechnungen,

meiner Familie fr die moralische Untersttzung und die Freistellung von vielen

privaten Verpflichtungen whrend der vergangenen Jahre.

Die Arbeiten zu dieser Dissertation wurden im Rahmen der Grundlagenforschung im

Bereich der Befestigungstechnik durchgefhrt. Sie wurden von den Firmen

fischerwerke, Hilti AG und Adolf Wrth GmbH & Co. KG finanziell gefrdert. Hierfr

mchte ich mich herzlich bedanken. Mein Dank gilt weiter all denen, die mir

praktische und ideelle Hilfe zukommen lieen.

Michael Reick

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Inhaltsverzeichnis

BEZEICHNUNGEN UND ABKRZUNGEN ................................................................................................ 9

1 EINLEITUNG ........................................................................................................................................... 11

2 EINFHRUNG.......................................................................................................................................... 12

2.1 EINFHRUNG IN DIE MODERNE BEFESTIGUNGSTECHNIK.......................................................................... 12

2.2 EINFHRUNG IN DEN VORBEUGENDEN BAULICHEN BRANDSCHUTZ ......................................................... 15

2.2.1 Der vorbeugende Brandschutz im Baurecht ................................................................................. 15

2.2.2 Brandverlauf und auftretende Temperaturen................................................................................ 16

2.2.3 Bauteilanforderungen und Feuerwiderstandsklassen ................................................................... 18

2.2.4 Feuerwiderstand von Tragwerken aus Stahlbeton........................................................................ 19

2.2.5 Brandversuche an Bauteilen - Sicherheitskonzept ........................................................................ 20

2.3 BEFESTIGUNGEN UND BRANDSCHUTZ ..................................................................................................... 20

2.3.1 Bisherige Forschungsversuche ..................................................................................................... 20

2.3.2 Bisherige Versuchsergebnisse....................................................................................................... 21

2.3.3 Problematik von Befestigungen im Brandfall derzeitiger Kenntnisstand .................................. 22

2.3.4 Derzeitige Zulassungssituation ..................................................................................................... 24

3 VERHALTEN VON BETON UND STAHL BEI ERHHTEN TEMPERATUREN ........................ 27

3.1 EINFLU DER VERSUCHSART ................................................................................................................... 27

3.2 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN VON BETON BEI ERHHTEN TEMPERATUREN........................................ 28

3.3 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN VON STAHL BEI ERHHTEN TEMPERATUREN ........................................ 32

3.4 THERMISCHE EIGENSCHAFTEN VON BETON UND STAHL.......................................................................... 35

3.4.1 Dichte von Beton und Stahl........................................................................................................... 35

3.4.2 Spezifische Wrmekapazitt von Beton und Stahl......................................................................... 36

3.4.3 Wrmeleitfhigkeit von Beton und Stahl ....................................................................................... 37

3.4.4 Thermische Dehnung von Beton und Stahl ................................................................................... 38

4 BERECHNUNG VON TEMPERATURFELDERN .............................................................................. 40

4.1 BEKANNTE TEMPERATURVERTEILUNGEN IN STAHLBETONBAUTEILEN .................................................... 40

4.2 TEMPERATURFELDER AN BEFESTIGUNGEN - BISHERIGE UNTERSUCHUNGEN ........................................... 41

4.3 EIGENE BERECHNUNGEN ......................................................................................................................... 42

4.3.1 Thermodynamische Grundlagen ................................................................................................... 42

1.1.2 Entwicklung und Verifikation des Rechenprogramms .................................................................. 45

1.1.3 Weitere Rechenannahmen............................................................................................................. 50

1.1.4 Geometrische Festlegungen fr die Berechnung .......................................................................... 52

1.1.5 Rechenergebnisse.......................................................................................................................... 53

1.4 AUSWERTUNG DER PARAMETERSTUDIE................................................................................................... 59

1.4.1 Einflu des Stahldurchmessers ..................................................................................................... 59

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1.1.2 Einflu eines Anbauteils................................................................................................................ 60

1.1.3 Einflu der beflammten Stahllnge ............................................................................................... 60

1.1.4 Einflu der Verankerungstiefe ...................................................................................................... 61

1.5 SCHLUFOLGERUNGEN FR DAS TRAGVERHALTEN VON BEFESTIGUNGEN............................................... 61

5 BERECHNUNG DER VERSAGENSART BETONAUSBRUCH........................................................ 62

5.1 EINFHRUNG ........................................................................................................................................... 62

1.1.1 Werkstoffkennwerte fr die FE-Berechnung ................................................................................. 63

1.1.2 Modellierung quasisprder Materialien ....................................................................................... 63

1.1.3 Das Microplane-Modell............................................................................................................ 64

1.1.4 Einflu der Netzgeometrie............................................................................................................. 65

1.1.5 Modellierung fr die FE-Berechnung ........................................................................................... 66

1.2 BERECHNUNGEN MIT MICROPLANE ......................................................................................................... 67

1.3 BERECHNUNGEN MIT DEM FE-PROGRAMM MASA ................................................................................. 70

1.1.1 Berechnung der mittleren Elementtemperatur in MASA............................................................... 70

1.1.2 Temperaturabhngige Werkstoffeigenschaften fr die Berechnungen mit MASA ........................ 71

1.1.3 Ergebnisse aus den Berechnungen mit MASA .............................................................................. 71

1.4 ZUSAMMENFASSUNG DER BERECHNUNGEN............................................................................................. 74

6 SPANNUNGEN UND DEHNUNGEN IN EINER EINSEITIG BRANDBEANSPRUCHTEN

STAHLBETONPLATTE ................................................................................................................................... 75

6.1 EINFHRUNG ........................................................................................................................................... 75

6.2 THERMISCHE EIGENSPANNUNGEN .