Schallemissionsanalyse und Thermographie zur Detektion des Abplatzverhaltens von hochfestem Beton im Realbrandversuch

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1 Schallemissionsanalyse und Thermographie zur Detektion des Abplatzverhaltens von hochfestem Beton im Realbrandversuch Dipl.-Ing. Ronald Richter,, B.A. Mascha Krapp Technische Universität München Centrum Baustoffe und Materialprüfung Lehrstuhl Zerstörungsfreie Prüfung Baumbachstraße München grosse@tum.de rrichter@cbm.bv.tum.de Kurzfassung: Forschungsprojekt der Technischen Universität München über das Brandverhalten von hochfestem Beton: Am wurden Realbrandversuche mit einem Probekörper aus hochfestem Beton bei IFRT in Külsheim durchgeführt. Der Lehrstuhl ZfP der Technischen Universität München untersucht gemeinsam mit dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart in einem Forschungsprojekt das explosive Abplatzverhalten von Beton unter Brandbeanspruchung. Einführung Wird Beton einer Brandbeanspruchung ausgesetzt, ändern sich seine mechanischen Eigenschaften. Durch die unterschiedliche Ausdehnung von erwärmten Bereichen, kann es zu Eigenspannungen in den Betonbauteilen und damit zu Rissbildung und Abplatzungen kommen. Bei hochfesten und ultrahochfesten Betonen können diese Abplatzungen explosiv auftreten. Um diese Schädigungsprozesse nachvollziehen und eine bruchmechanische Interpretation während Brandversuchen vornehmen zu können, werden im Rahmen des DFG Forschungsprojektes "Explosive Abplatzung von Beton unter Brandeinwirkung" (GR 1664/7-1) zerstörungsfreie Prüfverfahren eingesetzt. Die Messergebnisse werden dann mit Ergebnissen aus Computersimulationen der Universität Stuttgart verglichen [3,4], um beide Verfahren weiterzuentwickeln. Am wurde auf dem Gelände der Firma IFRT GbR. in Külsheim ein holzbefeuerter Brandversuch durchgeführt. Ziel war, die auftretenden Schädigungen mit den Ergebnissen von Versuchen an der MFPA Leipzig zu vergleichen [6]. Versuchsaufbau Für den Brandversuch wurde ein Probekörper in die Seitentür eines Brandübungscontainers als Wandelement eingebaut. Dadurch ließen sich bei einseitiger Beflammung [Abb.1 links] Sensoren auf der Außenseite befestigen [Abb.1 rechts]. Der Probekörper bestand aus hochfestem Beton ohne Polypropylen-Faserzusatz mit einer Druckfestigkeit von 135 N/mm 2. Die Probekörpergeometrie betrug 70x70x30 cm 3, die beflammte Fläche 60x60 cm 2 [Abb.2 links]. Seite 1 von 5

2 Lehrstuhl Zerstörungsfreie Prüfung Abb.1 Links: Ansicht des Probekörpers im Inneren des Brandcontainers mit einer beflammten Fläche von 60x60 cm2. Rechts: Probekörper auf der Containeraußenseite mit Schallemissions- und Ultraschallsensoren. Als Messverfahren wurden Schallemissionsanalyse, Ultraschall-Echo, Ultraschall-Durchschallung sowie, im Rahmen einer Studienarbeit, eine Thermographiekamera auf der Innenseite des Containers eingesetzt. Zur Temperaturüberwachung und Brandsteuerung wurden 14 Temperatursensoren verwendet. Diese waren im Brandraum, auf der beflammten Oberfläche des Probekörpers, im Probekörper und auf der Außenseite angebracht. Der Brandraum wurde mit Holzpaletten befeuert, der Probekörper befand sich in einem Abstand von ca. 3 m zum Brandraum auf einer Höhe von ca. 1,70 m [Abb.2 Links], die Brandraumsteuerung erfolgte über einen Rauch- und Wärmeabzug, den Flügeltüren des Containers zur Steuerung der Zuluft und der Menge der Brandlast. Zusätzlich zur Beflammung des Probekörpers wurden zu einem späteren Zeitpunkt Untersuchungen über den Einfluss von Löschwasser auf das Abplatzverhalten des Betons durchgeführt. Abb.2 Links: Vollbrand des Brandraumes und direkte Beflammung des eingebauten Probekörpers. Rechts: Untersuchungen über den Einfluss von Löschmaßnahmen auf das Abplatzverhalten des Betons. Seite 2 von 5

3 Erste Ergebnisse Nach dem Brandversuch war eine deutliche Schädigung des Probekörpers zu erkennen [Abb.3 rechts]. Dies zeigt in Verbindung mit der Temperaturüberwachung, dass es möglich ist, in einem holzbefeuerten Brandübungscontainer Bedingungen zu schaffen, bei denen explosive Abplatzungen an hochfesten Betonen auftreten. Die Schädigung war bei weitem nicht so stark, wie bei vergleichbaren Versuchen [6] in ölbefeuerten Brandprüföfen, was mit der gleichmäßigeren und direkteren Beflammung in diesen Öfen zusammenhängt. Des Weiteren war durch den Abstand zum Brandraum die Temperatur auf der Probekörperoberfläche nicht ganz so hoch wie im Brandraum [Abb.4]. Abb.3 Links: Oberfläche des Probekörpers vor dem Brandversuch mit 4 Temperaturfühlern. Rechts: Probekörper nach dem Brandversuch mit deutlichen Abplatzungen im oberen Bereich Temperatur [ C] Decke BR PK oben rechts PK oben links PK unten rechts PK unten links ZTV-ING ETK Zeit [min] Abb.4: Temperaturentwicklung im Brandraum und in den vier Ecken der beflammten Probekörperoberfläche. Bei zwei weiteren Kurven handelt es sich um Normbrandkurven, nach denen bereits Versuche im Projekt durchgeführt wurden. Seite 3 von 5

4 Die Aufgetretenen Abplatzungen und Rissbildungen konnten mit der Schallemissionsanalyse detektiert werden. Abb.4 zeigt ein typisches Schallemissionsereignis aufgrund einer Abplatzung, welches mit acht Sensoren aufgezeichnet wurde. Abb.5: Mit acht Sensoren aufgezeichnetes Schallemissionsereignis. Mit der Thermographiekamera konnten in Form von Videos einzelne Abplatzungen beobachtet werden. Abb.6 zeigt ein Einzelbild nach einer solchen Beobachtung. Verschiedene Auswertungen dieser Bilder, u.a. Infrarottemperaturmessungen vor und nach einer Abplatzung werden im Zuge einer laufenden Seminararbeit durchgeführt. Abb.6: Thermographiebild der beflammten Seite des Probekörpers kurz nach einem Abplatzungsereignis. Seite 4 von 5

5 Zusammenfassung und Ausblick Der vorgestellte Brandversuch liefert für das laufende Forschungsprojekt wichtige Daten. Es konnten verschiedene Einstellungen und Sensoren für die Schallemissionsanalyse getestet werden und das Ultraschallmessgerät des Lehrstuhls wurde erstmals zur kontinuierlichen Messung an Brandversuchen getestet. Die Thermographiekamera war bei diesem Versuchsaufbau deutlich einfacher einzusetzen als in Brandprüföfen, da letztere nicht offen zugänglich sind. Die hier dargestellten Ergebnisse zeigen nur einen kleinen Teil der Auswertung und bedürfen noch intensiver Nachbearbeitung. Danksagung Ein herzlicher Dank gilt allen Beteiligten, sowie dem Team des Lehrstuhls ZfP für die Vorbereitung und Planung. Ein besonderer Dank gebührt Stefan Feucht und den Ausbildern der International Fire & Rescue Training Gbr. für die Möglichkeit die Versuche in Külsheim durchführen zu können, sowie die umfangreiche und professionelle Unterstützung beim Aufbau und der Durchführung. Referenzen Grosse C., Ohtsu M. (Hrsg.): Acoustic Emission Testing in Engineering Basics and Applications. ISBN: , 415 S., Springer Verlag, Heidelberg (2008). Grosse C., Reinhardt H.-W., Finck F.: Signal-based acoustic emission techniques in civil engineering. J. of Mat. in Civ. Eng. 15 (2003), Nr. 3, S Grosse C.,Ožbolt J., Richter R., Periškić G.: Acoustic emission analysis and thermo-hygro-mechanical model for concrete exposed to fire. J.Acoustic Emission, 28 (2010) , (2010). Ožbolt J., Reinhardt H.W.: Three-dimensional finite element model for creep-cracking interaction of concrete. In: Proceedings of the sixth international conference CONCREEP-6, Ulm, Bažant & Wittmann (Hrsg.), , (2001). Richter R: Einsatz der Schallemissionsanalyse zur Detektion des Riss- und Abplatzungsverhaltens von Beton unter Brandeinwirkung. Diplomarbeit, Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (2009). Richter R., Große C., Ožbolt J., Bosnjak J.: Schallemissionsanalyse und numerische Simulation zur Schädigungsanalyse bei Brandversuchen mit hochfestem Beton. DGZfP-Jahrestagung 2011 Bremen, conference paper (2011). Dieser Bericht darf nur ungekürzt verwendet werden. Eine gekürzte oder auszugsweise Vervielfältigung, sowie eine Veröffentlichung in Druckschriften sind nur nach vorheriger schriftlicher Genehmigung durch die Autoren zulässig. Seite 5 von 5