JAHRESBERICHT - Institut für Baustatik und Konstruktion - ETH Zürich

FORSCHUNG
Tragverhalten von betongefüllten Stahl hohl -
profilstützen mit Stahlkern im Brandfall
Projektleitung: Prof. Dr. M. Fontana,
Dr. M. Knobloch
Mitarbeiter: M. Neuenschwander
Betongefüllte Hohlprofil-Verbundstützen mit Kern -
profilen aus Vollstahl finden häufig Verwendung im
Hochhausbau. Bei erhöhten Temperaturen im
Brand fall verringert sich die Festigkeit und die Stei -
fig keit sowohl des Stahls als auch des Betons, was
zu einer Verminderung der Quer schnitts trag fähig -
keit sowie des Knickwiderstands von Ver bund stüt -
zen führt. Zusätzlich müssen die Einflüsse von thermisch
bedingten Zwängungsspannungen berücksichtigt
werden. Bedingt durch die Ver suchs ofen -
grös se und die Kosten, sind der experimentellen
Un ter suchung des Tragverhaltens von betongefüllten
Hohlprofil-Verbundstützen mit Kernprofilen
aus Vollstahl enge Grenzen gesetzt. Das For -
schungs projekt zielt deshalb darauf ab, mit Hilfe
der nicht-linearen Finite-Elemente-Methode die re -
le van ten Einflussgrössen auf das Tragverhalten im
Brand fall von zentrisch vorbelasteten Verbund stü t -
zen dieses Typs herauszuarbeiten.
Ein Finite-Elemente-Methoden Modell mit ei -
nem lokalen und temperaturabhängigen kombinierten
Stoffgesetz aus bruchmechanischen und vis ko -
plas tischen Ansätzen für den Beton sowie einem
Reibungskontakt für die Verbundfuge wurde entwickelt
[1].
Fire behaviour of concrete-filled circular
hollow section columns with steel cores
Concrete-filled circular hollow section columns
(CHS-columns) with cores are used as structural
members in multi-storey buildings when high loads
are encountered and fire safety requirements are to
be fulfilled. Fire exposure leads to a reduction of
strength and stiffness of concrete and steel having a
marked influence on the cross-sectional and buckling
resistance of composite columns. Additionally,
stresses induced by partially restrained thermal
strains have to be considered. Exploring experimentally
the load-carrying behaviour of CHScolumns
with cores in fires is limited substantially
by the capacity of the common test setup, furnace
size and cost. Therefore, this research project aims
at analysing the parameters influencing the loadcarrying
behaviour of CHS-columns with steel
cores subjected to axial compression and fire by
means of the nonlinear finite element method.
At present a FEM model has been developed
with a local temperature-dependent damage-viscoplasticity
model for the concrete as well as frictional
contact conditions at the interface of steel and
concrete [1]. Future enhancements of the model
will be provided by the implementation of a nonlocal
damage-plasticity model for the concrete at
elevated temperatures.
N [kN] w [mm]
tot
u[mm] θ[˚C]
[1] Neuenschwander, M., Knobloch, M., Fontana, M.,
Fire behaviour of concrete filled circular hollow section
co lumns with massive steel core, In: Battista E., Vel lasco
P. and de Lima L. (Eds.), SDSS’Rio 2010 Stability and
Ductility of Steel Structures, Rio de Janeiro, September
8th-10th, 2010, pp. 473-480.
5000 25
9 1200 F reaction xglobal
4500
N
8
res
1050
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
20
15
10
5
N core
N tube
N c
w
1,tot
u 3
w θ 1
3,tot
1 θ 2
0 0 -1 0
0 5 10 15 20 25 30
t [min]
θ 3
u
θ 4
θ 5
Axiallast-Zeit-, Temperatur-Zeit- und Mittendurchbie -
gung-Zeit-Beziehungen.
Axial load-time, temperature-time and deflection-time
curves.
7
6
5
4
3
2
1
0
900
750
600
450
300
150
z
global
y
5
C
z
4
3
2
1
N res
x
w
0
w
z
e res
49