Numerische und versuchstechnische Untersuchungen zur Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Zuggliedern aus Stahl

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1 Bauforschung Numerische und versuchstechnische Untersuchungen zur Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Zuggliedern aus Stahl T 3313 Fraunhofer IRB Verlag

2 T 3313 Dieser Forschungsbericht wurde mit modernsten Hochleistungskopierern auf Einzelanfrage hergestellt. Die in dieser For schungs arbeit enthaltenen Darstellungen und Emp feh lungen geben die fachlichen Auffassungen der Verfasser wieder. Diese werden hier unverändert wiedergegeben, sie geben nicht unbedingt die Meinung des Zuwendungsgebers oder des Herausgebers wieder. Die Originalmanuskripte wurden reprotechnisch, jedoch nicht inhaltlich überarbeitet. Die Druck qualität hängt von der reprotechnischen Eignung des Originalmanuskriptes ab, das uns vom Autor bzw. von der Forschungsstelle zur Verfügung ge stellt wurde. by Fraunhofer IRB Verlag 2015 ISBN Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit ausdrücklicher Zustimmung des Verlages. Fraunhofer IRB Verlag Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau Postfach Stuttgart Nobelstraße Stuttgart Telefon (07 11) Telefax (07 11) irb@irb.fraunhofer.de

3 FORSCHUNGSBERICHT Numerische und versuchstechnische Untersuchungen zur Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Zuggliedern aus Stahl Forschende Stelle: Fachbereich: Projektleiter: Projektbearbeiter: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Brandingenieurwesen Dr.-Ing. Sascha Hothan Ing. Dustin Häßler, Mestre, M.Sc. Projektnummer: P /11 BAM-Vorhaben (Vh 7539) Datum: 23. Januar 2015 FORSCHUNGSBERICHT Sicherheit in Technik und Chemie

4 Dieser Bericht wurde nach bestem Wissen und mit der ordentlichen Sorgfalt entsprechend dem Kenntnisstand der Autoren zum Projektstand abgefasst. Eine Haftung für die Richtigkeit der Angaben in dem Bericht wird nicht übernommen. Impressum Abschlussbericht: Numerische und versuchstechnische Untersuchungen zur Anwendung von reaktiven Brandschutzsystemen auf Zuggliedern aus Stahl 2015 Herausgeber: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Unter den Eichen Berlin Telefon Telefax Internet:

5 Inhaltsverzeichnis XI Zusammenfassung Abstract INHALTSVERZEICHNIS III VII Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis XV XXV XXVII XXIX 1 Erläuterungen zum Forschungsprojekt Allgemein Details zu Block Details zu Block Details zu Block Aufbau des Berichtes Literaturrecherche Literaturübersicht Erste Ergänzung zum Zwischenbericht Für das Forschungsprojekt relevante Normen Heißbemessung im Stahlbau Bemessungswert der Materialeigenschaften Bemessungswert der Einwirkungen Fallbeispiel für die Ermittlung der Bemessungslast Materialeigenschaften nach Eurocode Material- und Umgebungskennwerte Temperaturunabhängige Größen Temperaturabhängige Größen Erwärmungsgeschwindigkeit von Stahlbauteilen Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Fachbereich Brandingenieruwesen

6 Untersuchung von reaktiven Brandschutzsystemen auf zugbeanspruchten Stahlbauteilen XII 5 Entwicklung eines numerischen Modells in ABAQUS Geometrie des Zugstabes Statisches System und Modellbildung Temperaturmodell (Heat) Strukturmodell (Structural) Auflagerungsbedingungen Strukturmodell A - Instationärer Warmzugversuch (σ = konst.) Strukturmodell B - Stationärer Warmzugversuch (ϑ = konst.) Bestimmung der Hochtemperatureigenschaften des Stahls der Zugglieder mit Kreisvollprofil (KVP D20) Stahlsorten Stahlprobekörper Blankstahl Versuchsumfang Herstellung der Versuchskörper Chemische Zusammensetzung des Stahls Bestimmung des Elastizitätsmoduls Definition des E-Moduls Bestimmung des E-Moduls mittels Resonanzverfahren Bestimmung des E-Moduls aus den Zugversuchen Bestimmung der Spannungs-Dehnungs-Kennlinien Probenbezeichnung Stationäre und instationäre Zugversuche Zugversuche unter Raumtemperatur Zugversuche bei erhöhter Temperatur Vergleich der Abminderungsfaktoren Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten Bestimmung mittels Schubstangen-Dilatometer Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten aus den Zugversuchen Vergleich der Ergebnisse aus der Dilatometeruntersuchung und den Zugversuchen Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Fachbereich Brandingenieruwesen

7 Inhaltsverzeichnis XIII 7 Voruntersuchungen an unbelasteten Stahlprofilen Zielsetzung Aufbau und Herstellung der Probekörper Messung der Schichtdicken Aufbau der Brandversuche Verlauf der Brandversuche Brandversuch der Probekörper V1 und V Brandversuch der Probekörper V3, V4 und V Auswertung der Brandversuche Entwicklung der Brandgastemperaturen über die Versuchsdauer Entwicklung der Stahltemperaturen über die Versuchsdauer Probekörper V1 und V2 - Schichtdicken und Risse Probekörper V3, V4 und V7 - Schichtdicken und Risse Zusammenfassung der Ergebnisse der Voruntersuchungen Brandversuche an zugbeanspruchten Stahlprofilen mit reaktiver Brandschutzbeschichtung Allgemeine Informationen Zielstellung Versuchsprogramm Aufbau der Versuchskörper Oberflächenrauheit der Versuchskörper Messung der Schichtdicken des reaktiven Brandschutzsystems Versuchsaufbau und Kalibrierung der Prüfeinrichtung Ermittlung der Nachgiebigkeit des Belastungsrahmens Untersuchungen zum Drift-Verhalten des Hydraulikzylinders Versuchsdurchführung Auswertung der Brandversuche Kreisvollprofil KVP D20 - Versuchsreihe a - c Kreisvollprofil KVP D30 - Versuchsreihe d Kreishohlprofil KHP D60,3 8,8 - Versuchsreihe f - g Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Brandversuchen Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Fachbereich Brandingenieruwesen

8 Untersuchung von reaktiven Brandschutzsystemen auf zugbeanspruchten Stahlbauteilen XIV 9 Numerische Analyse von Zuggliedern mit reaktiver Brandschutzbeschichtung Modellbildung Temperaturmodell Strukturmodell Strukturmodell A - Überprüfung der Materialmodelle Strukturmodell B - Nachrechnung der Brandversuche Nachrechnung des Brandversuches des Versuchskörpers B Zusammenfassung der Ergebnisse aus der numerischen Simulation Empfehlungen für die Durchführung von Brandversuchen an Zuggliedern mit reaktivem Brandschutzsystem Prüfprogramm Versuchskörper Temperaturmessung / Thermoelementapplikation Brandraum Zugbelastung und Prüfrahmen Versuchsauswertung und Ergebnisdarstellung Beurteilungs- und Tragfähigkeitskriterium Literaturverzeichnis Anhang Übersicht zu den existierenden Zulassungen für reaktive Brandschutzund Zugstabsysteme Recherchierte Literatur mit Relevanz für das Forschungsvorhaben Ergebnisse der Materialuntersuchungen des Blankstahls Temperaturentwicklung der Versuchskörper aus den Brandversuchen im Realmaßstab Datenblätter zu den Brandversuchen im Realmaßstab Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Fachbereich Brandingenieruwesen