IBK Jahresbericht 2004-2006 - Institut für Baustatik und Konstruktion ...

FORSCHUNG
Tragwiderstand von Betonbauteilen nach
dem Brand
Projektleitung:
Mitarbeiter:
Prof. Dr. M. Fontana
Dr. A. Frangi, C. Tesar.
Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von
Beton erwärmen sich Betonbauteile unter Temperatureinwirkung
langsam, und nur ein geringer oberflächennaher
Bereich des Betonquerschnitts ist von
der Temperatureinwirkung (Festigkeits- und Steifigkeitsverlust)
betroffen. Aus diesem Grund weisen
Betonkonstruktionen oftmals ein günstiges
Tragverhalten auf. Während der Abkühlungsphase
kühlen sich die heissen oberflächennahen Bereiche
des Betonsquerschnittes ab. Der innere Teil des
Querschnitts erwärmt sich anfänglich weiter und
kühlt sich später ab. Die Betonstruktur wird während
der Abkühlungsphase und in den ersten Tagen
nach dem Brand infolge Rissbildung und Wiederbildung
von Calciumhydroxiden weiter geschädigt,
was zu einer markanten Reduktion der Betonfestigkeit
führen kann.
Das Tragverhalten von Stützenquerschnitten unter
Naturbrandeinwirkung wurde numerisch simuliert.
Die durchgeführten numerischen Berechnungen
zeigen, dass das Bauteil nach der Abkühlung
eine geringere Tragfähikgeit aufweisen kann als im
Heisszustand. Die Bemessung des Bauteils nach
einem äquivalenten ISO-Normbrand ohne Beachtung
der Abkühlphase kann somit auf der unsicheren
Seite liegen.
Load Carrying Capacity of Concrete
Structures After Fire Exposure
Due to the low heat conductivity of concrete the
rate of temperature increase in the cross-section of
a concrete element is relatively slow. Internal zones
are well protected against heat so that only a small
part of the cross-section is affected by the temperature
action (loss of strength and stiffness). After
the fire has been extinguished the outermost parts
begin to cool down whereas the heat continues to
penetrate into the cross-section before the innermost
parts also start to cool down. Additionally, calcium
hydroxide is formed during the cooling phase,
opening up micro-cracks. The combination of these
two phenomena after a fire can lead to a significant
reduction of the concrete compressive strength.
The structural behaviour of concrete columns
exposed to natural fires has been analyzed numerically.
The results clearly show that after the cooling
phase concrete elements can exhibit a load carrying
capacity lower than during the fire. The design of
concrete structures based on equivalent time of
standard fire exposure without taking into account
the cooling phase may lead to unsafe results.
1
0.9
Heiss
Abgekühlt
Reduktion der Festigkeit [−]
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Reversibel
Irreversibel ohne Schädigung
Irreversibel
mit Schädigung
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatur [°C]
Materialverhalten während der Abkühlphase: „reversibel“,
„irreversibel ohne Schädigung“, „irreversibel mit
Schädigung“.
Material behaviour during cooling: „reversible“, „irreversible
without damage“, „irreversible with damage“.
Abplatzungen von Beton im Brandfall.
Spalling of concrete due to a fire.
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