Feuerwiderstand von Spannbeton-FertigdeckenDehnungsbehinderungen bei großen Deckensystemen
4. Jahresfachtagung mit 57. Forschungskolloquium des DAfStb
Dipl.-Ing. Dominik Felix
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jochen Zehfuß
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
Technische Universität Braunschweig
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Agenda
Einführung
Validierung
Parameterstudium
Ausblick
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Dehnungsbehinderung bei Brandeinwirkung
Prüfung von Decken nach DIN EN 1363-1 und DIN EN
1365-2: üblicherweise keine Dehnungsbehinderung
Membranverhalten wie bei Vollplatten bei Spannbeton-
Fertigdecken nicht möglich wg. fehlender Querbewehrung
In realem Bauwerk Dehnungsbehinderung bei lokalem
Brand durch umgebendes kaltes Tragwerk möglich
Durch Rissbildung (Schrumpfen) und Fugen in der Regel
keine vollständige Dehnungsbehinderung vorhanden
Wenig Kenntnisse
Querdehnungsbehinderung
Betonabplatzungen
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Vereinfachte Systemmodellierung (gesamtes Deckenfeld)
Beflammtes Feld
Variation der Deckensysteme (Modell Trägerrost) mit
unterschiedlichen Dehnsteifigkeiten
Variation der Größe des beflammten Bereiches
Ableitung Kraft-Wegbeziehungen
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Vereinfachtes Stabtragwerksmodell
Ziel: Untersuchung des thermischen Zwangs im Brandfall bei großen
Deckensystem
Berücksichtigt werden können:
Einfluss der Ränder des Deckenfeldes
Einfluss der Fugen
Einfluss unterschiedlicher thermischer Beanspruchungen
Einfluss der Geometrie unterschiedlicher Spannbeton-
Hohlplattenquerschnitte
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Herleitung eines vereinfachten Stabtragwerksmodells
DruckZug
Schematischer Kräfteverlauf
bei seitlicher Querdehnbe-
hinderung und thermischer
Beanspruchung
Spannbetonhohlplatten-
querschnitt
Ersatzsystem
„Vierendeelträger“
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Numerische Lösung der Fourier-Gleichung durch FEM:
0
0,5
1
1,5
2
0 400 800 1200
c
[W/m
K]
T [°C]
Modell zur thermischen Analyse (2-D)
20 °C konstante Umgebungstemperatur
Adiabatischer
Rand
radiativer +
konvektiver
Wärmeübergang
nach EC 2-1-2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 400 800 1200
cp(Θ
) [k
J/k
g K
]
T [°C]
2000
2200
2400
2600
0 400 800 1200
ρ[k
g/m
³]
T [°C]
0
400
800
1200
0 30 60 90
T [°
C]
Zeit [Minuten]
Temperaturabhängige thermische
Materialkennwerte nach EC 2-1-2thermische Einwirkungen
Adiabatischer
Rand
ETK
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Thermische Querschnittsanalyse (Bsp. MV5/265-167)
Thermische Querschnitte sind Ausgangsbasis für die
darauf folgenden thermomechanischen Untersuchungen
Thermische Analyse
Temperatur
in °C
90. min
60. min
30. min
Ermittlung der Querschnitts-
temperaturen am unteren
Plattenspiegel von Interesse
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Thermische Analyse
Vergleich zwischen den am Querschnitt ermittelten und den im
vereinfachten Stabtragwerk angesetzten Temperaturen; gemessen
jeweils in der Mittelachse des unteren Plattenspiegels:
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Materialkennwerte für Hochtemperaturbeanspruchung
Die Grundlage der brandschutztechnischen Bauteilanalyse sind
temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien nach EC 2-1-2
Thermische Dehnungen:
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Span
nu
ng
[-]
Dehnung [-]
20 °C100 °C200 °C300 °C400 °C500 °C600 °C700 °C800 °C900 °C1000 °C1100 °C1200 °C
0,000
0,004
0,008
0,012
0,016
0 200 400 600 800 1000
(Δl/
l) [
-]
T [°C]
Beton (quarzh.)
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Validierung anhand von Brandversuchen
Validierung anhand von Vergleichsrechnungen mit anderen
numerischen Modellen
Anforderungen an Validierungsversuche
Gute Dokumentation und Verfügbarkeit der Ergebnisse (Temperatur im
Querschnitt, Verformungen,…)
Untersuchung eines Deckensystem mit seitlicher
Querdehnbehinderung
Experimentell ermittelte Feuerwiderstandsdauer beträgt mind. 90 Min.,
Materialeigenschaften entsprechen heute üblicherweise eingesetzten
Spannbeton-Hohlplatten,
Geometrie entspricht heute üblicherweise eingesetzten Spannbeton-
Hohlplatten.
Validierung
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Validierung des vereinfachten Stabtragwerksmodells
Projekt Holcofire
Holcofire Frame Model
G6 und G7 Versuche
R4 Versuch
Weitere interne Brandversuche am iBMB (unveröffentlicht)
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Brandversuche G6 im Projekt HOLCOFIRE
Deckensysteme
1 Vollplatte + 2 x ½ Platten
Zzgl. Ringankersystem
Beanspruchung
ETK über 90 Minuten
Querkraft:
VEd,fi,test = 48,7 kN/m
Eigengewicht
Querschnitt
MV5/265-167
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Umsetzung im vereinfachtes Stabtragwerksmodell zur
Validierung der Versuche G6
Deckenquerschnitt im
G6 Versuch
Umsetzung in das
vereinfachte
Stabtragwerksmodell
Berücksichtigte
Materialkenngrößen
im Versuch und in der
Simulation
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Vergleich der Temperaturzeitverläufe im Versuch G6 auf Höhe der Spannlitzen
und in den Stegmitten mit den Ergebnissen des thermischen Modells.
Thermische Analyse
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Ringanker bei Versuche G6 im Projekt Holcofire zur Ermittlung
der Dehnungsbehinderung
Ermittlung der Dehn- und
Biegesteifigkeiten
In Feldmitte:
Am Rand:
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Tatsächliche Einspannung am Auflagerrand in den Versuchen und
Ableitung der Dehnungsbehinderung für die Simulation
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Vergleich zwischen vertikale Verformung in Feldmitte G6
und Simulation
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Horizontale Verformung in der Simulation und im G6 Versuch bei
verschiedenen Dehnbehinderungen
Messaufbau im
Versuch G6:
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Parameterstudium
Grad der Dehnbehinderung am freien Auflager
2 MN/m, 18 MN/m, 36 MN/m, 100 MN/m und fest eingespannt
Deckenfelder
bestehend aus 2, 4, 6, 12 und 18 Spannbeton-Hohlplatten
Unterschiedliche Querschnittstypen
MV5/265-167, V4/400-213, V8/160-100
Variationen der beflammten Spannbeton-Hohlplatten im
Deckensystem
Lage und Anzahl
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Prinzip
Ausschnitt eines Deckenfeldes bestehend aus 18
Spannbeton-Hohlplatten – 2 Hohlplatten unter thermischer
Beanspruchung
ETK - Beanspruchung
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2 Platten
4 Platten
6 Platten
12 Platten
18 Platten
Untersuchte Deckenfelder
Bezeichnung:
12.4M_18 MN/m
Dehnungs-
behinderung
an den
Rändern
Thermisch
beanspruchte
Plattenanzahl
(Position,
M=Mitte)
Größe des
Deckenfeldes
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Deckensysteme mit 18 MN/m Dehnbehinderung und
4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten
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Verschiedene Deckenfelder mit 2 beflammten
Spannbeton-Hohlplatten (MV5/265-167)
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Deckensysteme mit 100 MN/m Dehnbehinderung bzw. fest
eingespannt und 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten
Verformungsfiguren
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Deckensysteme aus 6 Platten mit 18 MN/m Dehnbehinderung und
2 bzw. 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten
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Deckensysteme aus 6 Platten mit 18 MN/m Dehnbehinderung und
2 bzw. 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten
Verformungsfiguren
30. Minuten
60. Minuten
90. Minuten
2 Platten beflammt 4 Platten beflammt
Überhöhungsfaktor 10
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Deckenfeld mit 6 Spannbeton-Hohlplatten (MV5/265-167)
Druckspannungen im unteren Plattenspiegel
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Ergebnisse Parameterstudium
Vollständige Dehnbehinderung in Realität nicht vorhanden
Lokale Brandbeanspruchung hat erheblichen Einfluss auf
Verformungen und Schnittkräfte
Stabtragwerksmodell geeignet um globale Betrachtung
vorzunehmen
Betrachtung von Rissbildungen etc. im detaillierten FE-
Modell
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Modellierung detailliertes FE-Modell (Teil eines
Deckenfeldes)
Modell berücksichtigt
Spannglieder
Fugen
Quer- und Längsdehnung
Biaxiales Materialverhalten
Einspannung in Längs- und Querrichtung
Weitere Schritte
Modellvalidierung anhand vorhandener
Versuche
Modellvalidierung anhand eigener Versuche
Untersuchung reeller Einspannsituationen
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Großversuche zur Validierung der numerischen Modelle
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Vorteile / Aussagen der vorgestellten Untersuchungen
Numerische Modelle
Realistische Nachbildung der Zwangbeanspruchung
Definierte Beaufschlagung der Prüfkörper mit der numerisch
ermittelten Zwangsbeanspruchung möglich
Ansatz biaxialer thermomechan. Materialgesetze möglich
Brandversuche
Validierung numerische Modelle
Abplatzverhalten
Nachweis Brandverhalten für variierte Randbedingungen
und unter Einsatzbedingungen mit validiertem
numerischen Modell
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