Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken · Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dehnungsbehinderungen bei großen Deckensystemen 4. Jahresfachtagung mit 57. Forschungskolloquium

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


Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken | Dipl.-Ing. D. Felix | Folie 2

Agenda

Einführung

Validierung

Parameterstudium

Ausblick



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



Vereinfachte Systemmodellierung (gesamtes Deckenfeld)

Beflammtes Feld

Variation der Deckensysteme (Modell Trägerrost) mit

unterschiedlichen Dehnsteifigkeiten

Variation der Größe des beflammten Bereiches

Ableitung Kraft-Wegbeziehungen



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



Herleitung eines vereinfachten Stabtragwerksmodells

DruckZug

Schematischer Kräfteverlauf

bei seitlicher Querdehnbe-

hinderung und thermischer

Beanspruchung

Spannbetonhohlplatten-

querschnitt

Ersatzsystem

„Vierendeelträger“



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



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



Thermische Analyse

Vergleich zwischen den am Querschnitt ermittelten und den im

vereinfachten Stabtragwerk angesetzten Temperaturen; gemessen

jeweils in der Mittelachse des unteren Plattenspiegels:



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.)



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



Validierung des vereinfachten Stabtragwerksmodells

Projekt Holcofire

Holcofire Frame Model

G6 und G7 Versuche

R4 Versuch

Weitere interne Brandversuche am iBMB (unveröffentlicht)



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



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



Vergleich der Temperaturzeitverläufe im Versuch G6 auf Höhe der Spannlitzen

und in den Stegmitten mit den Ergebnissen des thermischen Modells.

Thermische Analyse



Ringanker bei Versuche G6 im Projekt Holcofire zur Ermittlung

der Dehnungsbehinderung

Ermittlung der Dehn- und

Biegesteifigkeiten

In Feldmitte:

Am Rand:



Tatsächliche Einspannung am Auflagerrand in den Versuchen und

Ableitung der Dehnungsbehinderung für die Simulation



Vergleich zwischen vertikale Verformung in Feldmitte G6

und Simulation



Horizontale Verformung in der Simulation und im G6 Versuch bei

verschiedenen Dehnbehinderungen

Messaufbau im

Versuch G6:



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



Prinzip

Ausschnitt eines Deckenfeldes bestehend aus 18

Spannbeton-Hohlplatten – 2 Hohlplatten unter thermischer

Beanspruchung

ETK - Beanspruchung



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



Deckensysteme mit 18 MN/m Dehnbehinderung und

4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten



Verschiedene Deckenfelder mit 2 beflammten

Spannbeton-Hohlplatten (MV5/265-167)



Deckensysteme mit 100 MN/m Dehnbehinderung bzw. fest

eingespannt und 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten

Verformungsfiguren



Deckensysteme aus 6 Platten mit 18 MN/m Dehnbehinderung und

2 bzw. 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten



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



Deckenfeld mit 6 Spannbeton-Hohlplatten (MV5/265-167)

Druckspannungen im unteren Plattenspiegel



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



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



Großversuche zur Validierung der numerischen Modelle



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



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Fragen?

Vielen Dank für die Unterstützung:

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