Brandverhalten von Stahl und Verbunddeckensystemen. Numerisch parametrische Untersuchung der Simple Design

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Claus Fiedler
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1 Brandverhalten von Stahl und Verbunddeckensystemen Numerisch Untersuchung der Simple Design Methode

2 Inhalt der Präsentation der n der n des numerischen Modells Kontinuität an der Paneelgrenze der n 2

3 der n Hintergrund FRACOF (Test 1)- COSSFIRE (Test 2) in Originalgröße Standardbrand Test Exzellentes Brandverhalten des Verbunddeckensystems (Anwesenheit von membraner Zugwirkung) Max von Stahl 1000 C, Branddauer 120 min Französische Konstruktionsdetails t il Verbiegung 450 mm FICEB (Test 3) in Originalgröße natürlicher Brandtest mit Cellformträger Ziel Bestätigung der Simple Design Methode in ihrem gesamten Andwendungsbereich (unter Verwendung von komplexen Berechnungsmodellen) Durchbiegungsgrenze der Decke Dehnung des Bewehrungsstahls 3

4 der (1/3) Rastermaß der Decke Ungeschützte t Zwischenbalken Primärbalken Geschützte Zweitbalken 6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m 7.5 m x 15 m 9 m x 15 m Lastzustände EC0 zufolge, Lastkomibnationen in Brandsituation für Bürogebäude: G (Eigenlast) Q (Nutzlast) G= Eigengewicht kn/m² Q= 2.5 & 5 kn/m² 4

5 der (2/3) Verknüpfungsbedingung zwischen Decken und Stahlstützen Betonplatte Betonplatte Slab-panel Slab-panel Stütze Träger Kopfbolzen Stütze Träger Kopfbolzen Mit mechanischer Verknüpfung zwischen Platte und Stützen Ohne mechanische Verknüpfung zwischen Platte und Stützen 5

der (3/3) Feuerwiderstand: F30, F60, F90 and F120 Temperature e [ C] 1200 1000 800 600 400 200 F120

6 der (3/3) Feuerwiderstand: F30, F60, F90 and F120 Temperature e [ C] F120 F90 F60 F30 Erhitzung von Randträgern (Max. 550 C) Time [min] 6

Modell Hybrides Modell basierend auf meheren Typen

SCHALE91 (6 DOF vielschichtig): Stabiler Teil der

Uniaxial element): Verbindung zwischen Stahlträger

7 Modell Hybrides Modell basierend auf meheren Typen von finiten Elementen mit dem Computer Code ANSYS SCHALE91 (6 DOF vielschichtig): Stabiler Teil der Betonplatte TRÄGER24: Stahlstütze ROHR16 (6 DOF Uniaxial element): Verbindung zwischen Stahlträger und Betonplatte Träger24 : Stahlträger, Stahlprofil, und Betonrippe 7

8 Modell Hybrides Modell basierend auf meheren Typen von finiten Elementen mit dem Computer Code SAFIR TRÄGER Element SCHALEN Element 8

9 Slab panel S235 Träger COFRAPLUS60 Stahltrapezprofil (0.75 mm thick) Normalgewicht Beton C30/37 S500 Bewehrungsmatte Durchschnittliche Mattenposition (von der oberen Oberfläche) = 45 mm 58 mm mm mm 120 mm (F30) 130 mm (F60) 140 mm (F90) 150 mm (F120) 62 mm 9

10 Thermo-mechanische (1/2) Stahl thermo-mechanische : Thermische aus EC4-1.2 Masseneinheit Temperaturunabhängig (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Spannungs-Dehnungs-Verhältnis: Stress [MPa a] C 100 C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C 1000 C 1100 C 1200 C Strain [%] 10

11 Thermo-mechanische (2/2) Beton thermo-mechanische : Thermische von EC4-1.2 Einheitsmasse als eine Funktion von Temperatur nach EC4-1.2 Drucker-Prager yield criterion Zusammenpressende Reduktionsfaktoren von EC4-1.2: Temperature [ C] 11

12 des ANSYS numerischen Modells vs Test 1 (1/2) Vergleich mit Brandtest (Hitze-Transfer ) C B A C B A numerisches Modell Ungeschützte Stahlträger Geschützte Zweitträger C B A E D C A F B Geschützte Hauptträger Verbundplatte 12

des ANSYS numerischen Modells vs Test 1 (2/2) Vergleich mit Brandtest (Biegung) Simulierte verformte Form des Bodens nach dem Test numerisches Modell Dis splacement (mm) 500 400 300 200 100 0

13 des ANSYS numerischen Modells vs Test 1 (2/2) Vergleich mit Brandtest (Biegung) Simulierte verformte Form des Bodens nach dem Test numerisches Modell Dis splacement (mm) Mid-span of unprotected central Central part of the floor Mid-span of protected primary beams Test Simulation Mid-span of protected edge secondary beams Time (min) Vergleich der Biegung (Platte und Träger) 13

14 des SAFIR numerischen Modells vs Test 1 (1/2) Vergleich mit Feuertest (Hitze-Transfer ) C B A numerisches Modell Ungeschützte Stahlträger E D C A F B Verbundplatte 14

15 des ANSYS numerischen Modells vs Test 1 (2/2) Vergleich mit Brandtest (Biegung) Simulierte Spannungen in der Platte am Ende des Tests numerisches Modell Vergleich der Biegung (Platte und Träger) 15

16 des SAFIR numerischen Modells vs Test 2 (1/2) Vergleich mit Brandtest (Hitze-Transfer ) C B A numerisches Modell Ungeschützte Stahlträger E D C A F B Verbundplatte 16

17 des ANSYS numerischen Modells vs Test 2 (2/2) Vergleich mit Brandtest (Biegung) Simulierte Spannungen in der Platte am Ende des Tests numerisches Modell Vergleich der Biegung (Platte und Träger) 17

18 des SAFIR numerischen Modells vs Test 3 (1/3) Vergleich mit Brandtest (Hitze-Transfer ) numerisches Modell Ungeschützte Stahlträger Verbundplatte 18

19 des SAFIR numerischen Modells vs Test 3 (2/3) Hybrides Modell einbeziehen des WPB mit BEAM Element numerisches Modell Reduction fact tors (x 1E-3) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 k ay,θ k Ea,θ θ k ap,θ Temperature ( C) Redu uction factors 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 k ay,θθ k Ea,θ k ap,θ Temperature ( C) 19

20 des ANSYS numerischen Modells vs Test 3 (3/3) Vergleich mit Brandtest (Biegung) Simulierte Spannungen in der Platte am Ende des Tests numerisches Modell Vergleich der Biegung (Platte und Träger) 20

21 Einschränkungsbedingungen S1 S2 9 m S1 S2 S3 S4 C O R N E R 9 m 9 m 9 m Strukturennetz eines realen Gebäudes S3 S4 ANSYS Modell Wichtiger vorausgesagte Biegung des Eckgitters mit 2 Rundumkanten als in den anderen 3 Gittern mit 3 oder 4 Rundumkanten. 21

22 der n (1/4) Vergleich der FEA Biegung mit der maximal zugelassenen Biegung nach SDM (Simple Design Methode) SDM limit [mm m] Safe R 30 R 60 R 90 R Advanced numerical model [mm] Mit mechanischer Verbindung zwischen Platte und Pfeilern in weiterführenden Berechnungen Unsafe 22

23 der n (2/4) Vergleich der FEA Biegung mit der maximal zugelassenen Biegung nach SDM (Simple Design Methode) SDM limit [mm m] Safe R 30 R 60 R 90 R Advanced numerical model [mm] 10% Ohne mechanischer Verbindung zwischen Platte und Pfeilern in weiterführenden Berechnungen Unsafe 23

24 der n (3/4) Vergleich der Zeit in die FEA Biegung span/30 erreicht mit dem Feuerwiderstand d nach SDM (Simple Design Methode) 3 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m / t Fire Resistance e R30 R 60 2 R 90 R 120 t Span/30 / 1 0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 Span/30 Kriterium in FEA reicht nicht durch die komplette Feuerwiderstandsdauer vorausgesagt von SDM 24

25 der n (4/4) Dehnfähigkeit von Bewehrungsstäben Max. mechan nische Belastu ung von Bew ehrungsstahl 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 5% 4% 3% 2% 1% R 30 R 60 R 90 R 120 0% Dehnfähigkeit von Bewehrungstahl 5 % = Min. zugelassene Dehnfähigkeit nach EC

26 Die SDM (Simple Design Methode) ist auf der sicheren Seite verglichen mit den n weiterführender Berechnungen. Die Dehnfähigkeit von Betonstahlmatten betreffend, so bleibt sie generell unter 5 %. Mechanische Verbindungen zwischen Platte und Pfeilern können die Biegung eines Verbunddeckensystems in einer Brandsituation reduzieren, aber sie sind kein notwendiges Konstruktionsdetail. SDM ist in der Lage das Verhalten von Verbundstahl und Standardfeuer ausgesetzten Betondecken auf sichere Weise vorauszusagen. 26

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