Titelaufnahme

Titel
Concrete subjected to fire loading - from experimental investigation of spalling and mass-transport properties to structural safety assessment of tunnel linings under fire / Matthias Zeiml
VerfasserZeiml, Matthias
Begutachter / BegutachterinLackner, Roman ; Schrefler, Bernhard
Erschienen2008
UmfangVI, 170 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Beton / Feuer / Abplatzungen / Geschwindigkeit / Freigesetzte Energie / Permeabilität / Porenstruktur / Tunnelschale / Auslastungsgrad / Einsturz
Schlagwörter (EN)Concrete / Fire / Spalling / Velocity / Released energy / Permeability / Pore space / Tunnel lining / Level of loading / Collapse
Schlagwörter (GND)Raumschalung / Brand / Beton / Abplatzung / Tragverhalten
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-23330 Persistent Identifier (URN)
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Concrete subjected to fire loading - from experimental investigation of spalling and mass-transport properties to structural safety assessment of tunnel linings under fire [12.53 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Tunnel fires of the past have demonstrated that the load-bearing capacity of the supporting structure is reduced by temperature-induced degradation of stiffness and strength of concrete and reinforcing steel as well as by spalling of near-surface concrete layers, eventually causing collapse of the tunnel. In this work, the following questions are addressed:

1. What are the main processes responsible for spalling and what is their individual influence? High-speed camera images allow determination of the size, shape, and velocity of the spalled-off pieces. With this information at hand, the released energy associated with spalling is computed and compared to the energies associated with pore-pressure and thermal-stress spalling. This comparison provides new insight into the impact of various thermal, mechanical, and hydral processes as well as the main influencing parameters controlling explosive spalling of concrete. In addition, permeability experiments are presented, where specimens made of in-situ as well as laboratory-cast concrete with or without additional polypropylene (PP) fibers after cooling from high temperature were tested. The obtained permeability values are related to the pore structure, accessible via mercury-intrusion-porosimetry (MIP) tests, highlighting the effect of the PP-fibers as well as of additives and the production process on transport properties of concrete under fire attack.

2. Which phenomena shall be considered for realistic predictions of temperature distributions within heated concrete? Results from finite-element analyses, taking the coupling between heat and mass transport into account, are compared to results from analyses considering heat transport only regarding their agreement with experimental values. In addition, the obtained gas-pressure distributions within the tunnel lining provide insight into the risk of spalling of concrete for varying amount of PP-fibers, agreeing well with experimental observations.

3. How is the structural behavior of concrete tunnel linings affected by fire loading? A structural analysis tool, considering spalling of near-surface concrete layers as well as the effect of temperature and gas pressure on the mechanical properties of the heated lining concrete, is employed to investigate the structural performance of a cross-section of the Lainzer tunnel (Austria) characterized by low overburden (shallow tunnel).

Zusammenfassung (Englisch)

Tunnelbrände haben gezeigt, dass die Tragfähigkeit der Struktur durch die temperaturbedingte Verminderung von Steifigkeit und Festigkeit des Betons und des Bewehrungsstahls sowie das Abplatzen oberflächennaher Betonschichten reduziert wird, was im äußersten Fall zum Versagen der Tragstruktur führen kann. In dieser Arbeit werden folgende Fragestellungen behandelt:

1. Welche Prozesse sind für das Abplatzen des Betons hauptverantwortlich und welchen Einfluss haben sie? Aufnahmen einer Hochgeschwindigkeitskamera ermöglichen die Bestimmung von Größe, Form und Geschwindigkeit der abgeplatzten Betonfragmente.

Darauf aufbauend kann die während des Abplatzens freiwerdende Energie abgeschätzt und mit numerischen Ergebnissen verglichen werden. Dieser Vergleich gibt Aufschluss über den Einfluss verschiedener mechanischer, thermischer und hygrischer Prozesse und lässt auf die Haupteinflussfaktoren für Abplatzungen schließen. Weiters werden Permeabilitätsexperimente vorgestellt, bei welchen sowohl unter Baustellenbedingungen (in-situ) gefertigte Probekörper als auch Laborprobekörper, mit bzw. ohne Zugabe von Polypropylen-Fasern (PP-Fasern), bei Raumtemperatur getestet wurden, nachdem sie unterschiedlichen Temperaturregimen unterzogen wurden. Die Ergebnisse werden mit der Porenstruktur von thermisch geschädigtem Beton (untersucht mittels Quecksilberporosimetrie) in Beziehung gesetzt.

Dadurch kann der Einfluss der PP-Fasern sowie von Zusatzmitteln und des Fertigungsprozesses (in-situ vs. Labor) auf die Transporteigenschaften von brandbelastetem Beton bestimmt werden.

2. Die Berücksichtigung welcher Phänomene ist für eine realistische Abschätzung der Temperaturverteilung im brandbelasteten Beton erforderlich? Ergebnisse aus Finite-Elemente-Analysen der wesentlichen Kopplungen zwischen Wärme- und Massetransport werden mit Ergebnissen aus einer rein thermischen Berechnung hinsichtlich ihrer Übereinstimmung mit experimentellen Werten verglichen. Weiters geben die erhaltenen Gasdruckverteilungen im Beton Aufschluss über das Abplatzrisiko von Beton mit unterschiedlichem Fasergehalt, die erhaltenen Trends stimmen mit experimentellen Beobachtungen überein.

3. Wie wird das Tragverhalten von Tunnelinnenschalen aus Beton durch die Temperaturbelastung während eines Brandes beeinflusst? Mit Hilfe eines Strukturprogramms, das sowohl Abplatzungen von Betonschichten als auch die Abnahme der Festigkeit des Betons aufgrund von Temperatur- und Gasdruckbelastung berücksichtigt, wird ein Querschnitt des Lainzertunnels mit geringer Überdeckung (oberflächennaher Tunnel) untersucht.