Betonverhalten in der Abkühlphase
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- Paulina Egger
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1 Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M. Sc. Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (ibmb) Technische Universität Braunschweig
2 Inhalt Brandschutztechnische Bemessung von Betonbauteilen Brandbeanspruchung Thermische Materialkennwerte nach DIN EN DFG-Schwerpunktprogramm SPP 1182: Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung und Optimierung des Brandverhaltens von ultrahochfestem Beton Aktuelles DFG-Forschungsvorhaben am ibmb: Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Erweiterung der Berechnungsgrundlagen unterschiedlicher Betone bei Naturbrandbeanspruchung Thermische Querschnittsanalysen mit ANSYS Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 2
3 Temperatur θ [ C] Brandschutztechnische Bemessung Brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen erfolgt i.d.r. anhand der Einheits-Temperaturzeitkurve Soll thermische Beanspruchung auf sicheren Seite abdecken Dient der Bauteilklassifizierung bzw. Bauteilprüfung im Brandfall Feuerhemmend R 30 Hochfeuerhemmend R Feuerbeständig R 90 Branddauer t [min] Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 3
4 Einheits-Temperaturzeitkurve vs. natürlicher Brandverlauf Temperatur θ [ C] natürliche Brände Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) Branddauer t [min] Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 4
5 Temperatur [ C].. Vereinfachtes Naturbrandmodell DIN EN / NA Realistische Temperatureinwirkung auf Bauteile in Abhängigkeit von: Brandentwicklungsgeschwindigkeit, Ventilationsverhältnisse und Brandlast Ermittlung mit einfacher Tabellenkalkulation (t 1 ;T 1 ) (t 2 ;T 2 ) (t 3 ;T 3 ) (t 0 ;T 0 ) Aufheizphase Abkühlphase Zeit [min] Bereich 1 Bereich 2 Bereich 3 Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 5
6 Materialkennwerte in der Abkühlphase nach hoher Temperaturbeanspruchung Bei Anwendung von Naturbrandmodellen bzw. der damit ermittelten Temperaturzeitkurven: Tragfähigkeit der Bauteile und Tragwerke muss über die gesamte Branddauer einschließlich der Abkühlphase nachgewiesen werden Zeitpunkt der geringsten Tragfähigkeit im Voraus nicht bekannt Thermische Trägheit des Betons Nachteil: Kenntnislücken bezüglich der Materialkennwerte in der Abkühlphase nach hoher Temperaturbeanspruchung Anwendung von Naturbrandverfahren i.d.r. mit konservativen Annahmen (auf der sicheren Seite liegend) verbunden Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 6
7 Spannung σ [N/mm²] Annahmen zum Materialverhalten von Beton während der Abkühlphase Reversibilität der Festigkeit des Betons beim Abkühlen Überschätzung der Tragfähigkeit in dieser Phase ,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Dehnung [-] 20 C 200 C 400 C 600 C 800 C 1000 C Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 7
8 Annahmen zum Materialverhalten von Beton während der Abkühlphase Reduzierte Werte durch maximale Temperaturbeanspruchung der Festigkeit und Steifigkeit gelten für die gesamte Abkühlphase EC4-1-2 enthält im Anhang C Angaben zur näherungsweisen Berücksichtigung des Abkühlverhaltens von Beton Auf HPC und UHPC nicht übertragbar [EC4-1-2] Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 8
9 Zur Verfügung stehende thermische Materialkennwerte von Betonen gemäß DIN EN Normalfester Beton (CC) bis Festigkeitsklasse C 50/60 Hochfester Beton (HPC) der Festigkeitsklassen C 55/67 bis C 90/105 Ultrahochfester Beton (UHPC) bisher nicht genormt DFG-Schwerpunktprogramm SPP 1182: Erweiterung des Anwendungsbereichs von EC auf UHPC Herleitung von temperaturabhängigen Materialkennwerten für UHPC in Anlehnung an EC 2-1-2, Abschnitt 3 für normalfesten Beton Brandbeanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 9
10 Temperaturabhängige Festigkeitsabnahme unterschiedlicher Betone bezogene Druckfestigkeit [-] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Kein eindeutiger Trend in Abhängigkeit der Festigkeit Temperatur [ C] UHPC Normalbeton EC (CC) C90/105 EC (HPC) Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 10
11 Geplante experimentelle Untersuchungen zum thermischen und thermomechanischen Verhalten Verwendete Betonrezepturen im derzeit laufenden Forschungsvorhaben Aufheizphase Abkühlphase CC (C 30/37) EC2-1-2 x HPC (C 80/95) EC2-1-2 x UHPC ca. 160 N/mm² (B7Q) x x UHPC Betonrezeptur: SPP 1182: B5Q Ausgangsstoffe in gleicher Zusammensetzung stehen nicht mehr zur Verfügung Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 11
12 Untersuchungsschwerpunkte Thermische Materialkennwerte Rohdichte ρ spezifische Wärmekapazität c p, Wärmeleitfähigkeit λ Thermomechanische Materialkennwerte Druckfestigkeit E-Modul Thermische Dehnungsanteile Mechanische Dehnungsanteile Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 12
13 Temperaturabhängige thermische Kennwerte Transient Plane Source (TPS) Wärmeleitfähigkeit Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 13
14 Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m K)] Tastversuche mit Hilfe des Transient Plane Source Verfahrens für UHPC (C 100/115) in der Abkühlphase 2,5 2,0 C100/115 gemessene Wärmeleitfähigkeit in der Aufheizphase 1,5 1,0 0,5 Abf130 Abf300 Wärmeleitfähigkeit in der Abkühlphase in Abhängigkeit vom maximal erreichten Temperaturniveau 0, Temperatur [ C] Abf600 Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 14
15 Weitere Verfahren zur Ermittlung der thermischen Kennwerte Thermogravimetrische Analyse (TGA) Rohdichte ρ Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) Spezifische Wärmekapazität c p Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 15
16 Thermomechanische Materialkennwerte Heißdruckprüfmaschine des ibmb Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 16
17 Thermomechanische Materialkennwerte Stationäre Warmdruckversuche Erwärmen der unbelasteten Probekörper auf definierte Temperatur Unterschiedliche Temperaturstufen, Anschließend Steigerung der Belastung bis Bruchlast Ergebnisse: Druckfestigkeit E-Modul Betonzylinder nach Prüfung Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 17
18 Thermomechanische Materialkennwerte Instationäre Warmkriechversuche Belasten der Probekörper mit definierter Spannung Temperatur nicht bis zum Versagen steigern, sondern auf verschiedenen Temperaturstufen gehalten und anschließend wieder reduziert Ergebnisse: Thermische Dehnungsanteile Mechanische Dehnungsanteile Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 18
19 Validierung der Materialmodelle Versuche im Realmaßstab min. 3 Stützenversuche (CC, HPC, UHPC) z. B.: 30/30/360 [cm³] Überprüfung der thermischen Analyse Querschnittserwärmung Überprüfung der mechanischen Analyse Feuerwiderstandsdauer Verformungsverhalten Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 19
20 Versuchskörper am Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 20
21 Thermische Querschnittsanalyse in ANSYS für C35/45 Untersuchungsszenario Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Materialkennwerte EC EC Tastversuch (λ Aufheiz- und Abkühlphase) Brandbeanspruchung ETK Naturbrand Naturbrand Netto-Wärmestrom bestehend aus: konvektiven Anteil radiativen Anteil Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 21
22 Bürogebäude: Vollbrandszenario eines Raumes Anwendung vereinfachtes Naturbrandmodell EC1-1-2/NA Gastemperatur [ C] Zeit [min] Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 22
23 Wärmeleitfähigkeit λ c [W/(mK)] Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit für ansteigende und abnehmende Temperaturen 3 2,5 Abf600 2 Aufheizphase 1,5 1 0, Temperatur [ C] Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 23
![Visualisierung Thermische Querschnittsanalyse ETK_EC [ C] NB_EC](/docs-images/93/113333422/images/24-1.jpg "NB_Tast Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc.")
24 Visualisierung Thermische Querschnittsanalyse ETK_EC [ C] NB_EC NB_Tast Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 24 [min]
25 Vergleich der Querschnittstemperaturen Temp. [ C] 1200, ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0, Zeit [min] ETK Bauteil Außenkante ETK Bauteil Außenkante NB Bauteil Außenkante NB Tast Naturbrand Bauteil Mitte ETK Bauteil Mitte NB Bauteil Mitte NB Tast Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 25
26 Zusammenfassung und Ausblick Anwendung von Naturbrandszenarien ermöglicht eine realistischere und i.d.r. wirtschaftlichere Bemessung von Betonbauteilen Thermische Materialkennwerte von unterschiedlichen Betonen für die Abkühlphase sind bisher nicht genormt Ermittlung von thermischen und thermomechanischen Materialkennwerten von Betonen für die Abkühlphase im Rahmen des DFG-Forschungsvorhabens Numerische Modellierung des Temperatur- und Tragverhaltens von brandbeanspruchten Betonbauteilen unter Anwendung von Naturbrandszenarien weiterentwickeln Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 26
27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen? Betonverhalten in der Abkühlphase Jan Lyzwa, M.Sc. Folie 27
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