Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dehnungsbehinderungen bei großen Deckensystemen

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1 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dehnungsbehinderungen bei großen Deckensystemen Dipl.-Ing. Dominik Felix Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jochen Zehfuß Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (ibmb) Technische Universität Braunschweig

2 Agenda Einführung Validierung Parameterstudium Ausblick Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 2

3 Dehnungsbehinderung bei Brandeinwirkung Prüfung von Decken nach DIN EN und DIN EN : 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 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 3

4 Vereinfachte Systemmodellierung (gesamtes Deckenfeld) Beflammtes Feld Variation der Deckensysteme (Modell Trägerrost) mit unterschiedlichen Dehnsteifigkeiten Variation der Größe des beflammten Bereiches Ableitung Kraft-Wegbeziehungen Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 4

5 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 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 5

6 Herleitung eines vereinfachten Stabtragwerksmodells Spannbetonhohlplattenquerschnitt Ersatzsystem Vierendeelträger Zug Druck Schematischer Kräfteverlauf bei seitlicher Querdehnbehinderung und thermischer Beanspruchung Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 6

7 T [ C] c [W/m K] c p (Θ) [kj/kg K] ρ [kg/m³] Modell zur thermischen Analyse (2-D) Adiabatischer Rand 20 C konstante Umgebungstemperatur Adiabatischer Rand radiativer + konvektiver Wärmeübergang nach EC thermische Einwirkungen Zeit [Minuten] ETK 2 1,5 1 0, T [ C] Temperaturabhängige thermische Materialkennwerte nach EC ,0 1,5 1,0 0,5 0, T [ C] T [ C] Numerische Lösung der Fourier-Gleichung durch FEM: Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 7

8 Thermische Analyse Thermische Querschnittsanalyse (Bsp. MV5/ ) 30. min Temperatur in C 60. min 90. min Ermittlung der Querschnittstemperaturen am unteren Plattenspiegel von Interesse Thermische Querschnitte sind Ausgangsbasis für die darauf folgenden thermomechanischen Untersuchungen Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 8

9 Thermische Analyse Vergleich zwischen den am Querschnitt ermittelten und den im vereinfachten Stabtragwerk angesetzten Temperaturen; gemessen jeweils in der Mittelachse des unteren Plattenspiegels: Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 9

10 (Δl/l) [-] Spannung [-] Materialkennwerte für Hochtemperaturbeanspruchung Die Grundlage der brandschutztechnischen Bauteilanalyse sind temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien nach EC ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 20 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 Thermische Dehnungen: 0,0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Dehnung [-] 0,016 0,012 Beton (quarzh.) 0,008 0,004 0, T [ C] Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 10

11 Validierung 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. Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 11

12 Validierung des vereinfachten Stabtragwerksmodells Projekt Holcofire Holcofire Frame Model G6 und G7 Versuche R4 Versuch Weitere interne Brandversuche am ibmb (unveröffentlicht) Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 12

13 Brandversuche G6 im Projekt HOLCOFIRE Deckensysteme 1 Vollplatte + 2 x ½ Platten Zzgl. Ringankersystem Beanspruchung ETK über 90 Minuten Querkraft: V Ed,fi,test = 48,7 kn/m Eigengewicht Querschnitt MV5/ Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 13

14 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 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 14

15 Thermische Analyse Vergleich der Temperaturzeitverläufe im Versuch G6 auf Höhe der Spannlitzen und in den Stegmitten mit den Ergebnissen des thermischen Modells. Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 15

16 Ringanker bei Versuche G6 im Projekt Holcofire zur Ermittlung der Dehnungsbehinderung Ermittlung der Dehn- und Biegesteifigkeiten Am Rand: In Feldmitte: Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 16

17 Tatsächliche Einspannung am Auflagerrand in den Versuchen und Ableitung der Dehnungsbehinderung für die Simulation Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 17

18 Vergleich zwischen vertikale Verformung in Feldmitte G6 und Simulation Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 18

19 Horizontale Verformung in der Simulation und im G6 Versuch bei verschiedenen Dehnbehinderungen Messaufbau im Versuch G6: Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 19

20 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/ , V4/ , V8/ Variationen der beflammten Spannbeton-Hohlplatten im Deckensystem Lage und Anzahl Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 20

21 Prinzip Ausschnitt eines Deckenfeldes bestehend aus 18 Spannbeton-Hohlplatten 2 Hohlplatten unter thermischer Beanspruchung ETK - Beanspruchung Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 21

22 Untersuchte Deckenfelder 2 Platten 4 Platten 6 Platten 12 Platten 18 Platten Bezeichnung: Größe des Deckenfeldes 12.4M_18 MN/m Thermisch beanspruchte Plattenanzahl (Position, M=Mitte) Dehnungsbehinderung an den Rändern Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 22

23 Deckensysteme mit 18 MN/m Dehnbehinderung und 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 23

24 Verschiedene Deckenfelder mit 2 beflammten Spannbeton-Hohlplatten (MV5/ ) Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 24

25 Deckensysteme mit 100 MN/m Dehnbehinderung bzw. fest eingespannt und 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten Verformungsfiguren Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 25

26 Deckensysteme aus 6 Platten mit 18 MN/m Dehnbehinderung und 2 bzw. 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 26

27 Deckensysteme aus 6 Platten mit 18 MN/m Dehnbehinderung und 2 bzw. 4 beflammten Spannbeton-Hohlplatten Verformungsfiguren 2 Platten beflammt 4 Platten beflammt 30. Minuten 60. Minuten 90. Minuten Überhöhungsfaktor 10 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 27

28 Deckenfeld mit 6 Spannbeton-Hohlplatten (MV5/ ) Druckspannungen im unteren Plattenspiegel Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 28

29 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 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 29

30 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 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 30

31 Großversuche zur Validierung der numerischen Modelle Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 31

32 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 Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen? Feuerwiderstand von Spannbeton-Fertigdecken Dipl.-Ing. D. Felix Folie 33 Vielen Dank für die Unterstützung: