Titelaufnahme

Titel
Abhängigkeit des Betontemperaturverhaltens von der Bauteildicke unter Brandbelastung / von Christoph Kosch
VerfasserKosch, Christoph
Begutachter / BegutachterinSchneider, Ulrich ; Bruckner, Heinrich
Erschienen2007
UmfangV, 134 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2007
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Normalbetontemperaturverhalten / Brandbelastung / Betoneigenschaften unter Brand
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-14479 Persistent Identifier (URN)
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Abhängigkeit des Betontemperaturverhaltens von der Bauteildicke unter Brandbelastung [6.19 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Untersuchungen der unter Brandeinwirkung auftretenden Temperaturverläufe in Beton- bzw. Stahlbetonbauteilen sind schon seit Jahren Gegenstand zahlreicher Laborversuche und theoretischer Abhandlungen. Sowohl einseitig als auch mehrseitig brandbeanspruchte Bauteile wurden in der Vergangenheit mit dem Ziel untersucht, Aussagen hinsichtlich der auftretenden Bewehrungstemperaturen und der Möglichkeit zur Einstufung in Feuerwiderstandsklassen treffen zu können. Diese Versuche und Berechnungen erfolgten unter Variation der zugegebenen Zuschlagstoffe, der Bauteildicken und der Branddauer mit dem Ergebnis, dass Leichtbetonbauteile bei einseitiger Brandbeanspruchung erheblich niedrigere Bauteil- und Bewehrungstemperaturen aufweisen als vergleichbare Normalbetonbauteile.

Abgesehen von den Wärmeleitungseigenschaften von Beton haben Abplatzungen, durch die daraus resultierende Bauteildickenminimierung, massive Auswirkungen auf die Temperaturen in Betonbauteilen. Eigens für die gegenständliche Arbeit durchgeführte Brandversuche haben gezeigt, dass die Einflüsse einer solchen Abplatzungen bei 20 cm dicken Normalbetonplatten über die gesamte Bauteildicke durch erhöhte Temperaturkurven deutlich nachweisbar sind und sich nur bei entsprechenden Vorkenntnissen über die Technologie und Festigkeitseigenschaften von Normalbeton vorhersagen lassen.

Um die Einflüsse dieser ungewollten Abplatzungen zu verhindern bzw. zu minimieren, können den Betonrezepturen Fasern beigemengt werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass Polypropylenfasern diesbezüglich die besten Resultate erzielen, da diese die Kapazität des Wassertransports im Bauteil erhöhen und so die Abfuhr des entstehenden Wasserdampfes ermöglichen und somit direkt die wesentliche Ursache der Abplatzungen bekämpfen. Während der Laborversuche konnte der positive Einfluss der Polypropylenfasern bestätigt werden.

Eine Faserabhängigkeit des Eindringens der Temperaturfronten in die Normalbetonauteile konnte im Gegensatz zu hochfesten Betonen übereinstimmend nicht festgestellt werden. Unterschiedliche Gradienten der Temperaturkurven von Platten gleicher Stärke mit bzw. ohne PP-Fasern waren nach den Laborversuchen ebenfalls nicht nachweisbar.

Die Ergebnisse der durchgeführten Laborbrandversuche betreffen neben den Betonfestigkeiten ausschließlich die bauteildickenabhängigen Temperaturverläufe.

Die Restfestigkeitsuntersuchungen ergaben, dass jene Probewürfel mit der Betonrezeptur RK01(*) (mit 1,5 kg/m Polypropylenfasern) im Vergleich zu der 28-Tage-Druckfestigkeit um durchschnittlich 16 % niedrigere Werte erzielten als die Probewürfel der Rezeptur RK02. Grund dafür ist die starke Porenbildung im Beton durch das Ausschmelzen der PP-Fasern und den daraus bedingten leichten Feuchtezutritt in das Innere des Betons in Verbindung mit der hitzebedingten Zerstörung des Portlandits im Zementstein. Die Bildung von Kalkhydrat beginnt schon unmittelbar nach den Brandversuchen und führt durch die Volumenzunahme zu einem intensiven Kalktreiben. Derartige Prozesse sind bei den Probekörpern ohne Polypropylenfasern selbst Wochen nach den Brandversuchen nicht feststellbar. Die Stärke der zermürbten Betonschicht betrug zwischen 0,5 und 1 cm - eine Abhängigkeit dieser Schichtdicke von der kurzen Brandauer war nicht feststellbar. Es ist jedoch bekannt, dass die Portlanditumwandlung bei 450 C beginnt und diese Temperaturtiefe somit etwa der Zerfallstiefe durch Treiben entspricht.

Die Kernaussage dieser Arbeit betrifft den Nachweis der Bauteildickenabhängigkeit der Temperaturkurven unter einseitiger Brandeinwirkung in Normalbetonplatten. Dieser Nachweis erfolgte durch den Vergleich gemessener Temperaturverläufe in 8 bzw. 16 cm dicken Platten sowie mit Hilfe simulierter Temperaturverläufe in 4, 8, 20 und 24 cm dicken Normalbetonplatten unter Berücksichtigung des Wassergehaltes im Beton. Unter gleich bleibenden Rahmenbedingungen wie z.B. der Brandkurve, des Wassergehaltes, der Außentemperatur und der Stoffeigenschaften in den untersuchten Bauteilen, können die betrachteten Bauteiltiefe sowie die Branddauer als maßgebliche Einflüsse auf die Abhängigkeit des Betontemperaturverhaltens von der Bauteildicke genannt werden.

Der Vergleich der Brandversuchsergebnisse mit errechneten Daten der Brandsimulationssoftware MRFC Version 2.5 beschränkte sich auf den Vergleich der jeweiligen Temperaturkurven in 8 cm dicken Normalbetonplatten mit einem Wassergehalt w im Beton von 3,9 %. Der Vergleich lieferte differierende Temperaturkurven, mit der Begründung, dass die Vorgaben gemäß EC4, welche den Simulationen zu Grunde lagen, bezüglich der Temperaturberechnung im Brandfall auf die gewählte Versuchsanordnung nicht zutrafen. Auch eine iterative Variation der Wärmeübergangszahl und der Strahlungszahl erwiesen sich nicht als zielführend.

Zusammenfassung (Englisch)

Analyses of the range of temperatures under the action of high temperatures in normal-weight concrete are subject of numerous laboratory experiments and theoretical disquisitions for years. In the past, both unilateral and multilateral components under high temperatures were determined in order to receive information about the range of temperatures in the reinforcement as well as to classify building components into fire resistance classes. These analyses and calculations happened by varying the kind of aggregates, the thickness of the building components and the duration of the fire stress. Tests showed that components made of light-weight concretes experienced considerable lower temperatures as comparable components made of normal-weight concretes.

Apart from the properties of concrete concerning the thermal conductivity, spalling processes have a massive impact on the range of temperatures as minimisation of the thickness of building components takes place. In order to prevent these spallings, fibres can be used as concrete additives. In the course of tests it turned out that the use of polypropylene fibres achieved the best results. The effect of such fibres is based on the improvement of the permeation of concrete due to the formation of capillary pores, when melting and burning of the fibres under the action of high temperatures occurs. This leads to a higher vapour flow and reduces the pressure at the vaporization front. That positive influence was also affirmed during laboratory tests in the course of this masters thesis.

Aside from the compressive strength, the laboratory tests also concerned the dependency of the range of temperatures from the thickness of building components.

The residual compressive strength of specimens without PP-fibres showed higher values than comparable specimens with 1,5 kg/m PP-fibres. These higher values are a result of a denser structure in concretes without PP-fibres.

The core statement in the present elaboration concerns the proof of the dependency of the range of temperatures from the thickness of building components under unilateral action of high temperatures. That verification happened by comparison of measured ranges of temperatures in specimens of 8 and 16 cm thickness under indusion of a water content of 3,9 % in the concrete as well as the examination of results of fire simulations, performed with MRFC version 2.5.

In consideration of concrete slabs with 8 cm thickness and a water content of 3,9 %, the contrasting of measured and simulated data showed differences between these temperature curves. A reason for that can be seen in the difference between the material properties that were chosen according to EC4 in the MRFC-simulation and the actual material properties of the specimens. A variation of the material properties, the coefficient of radiation and the heat transfer coefficient did not result in an approach of the temperature curves.

The comparison of the range of temperatures in specimens with thicknesses of 4, 8, 20 and 24 cm, performed with MRFC, demonstrated a clear dependency on the duration of high temperatures as well as the depth of the examined layer in the specimens.