Titelaufnahme

Titel
Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung / Sven Huismann
VerfasserHuismann, Sven
Begutachter / BegutachterinSchneider, Ulrich ; Meng, Birgit
Erschienen2010
UmfangXII. 154 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2010
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)hochfester Beton / Temperatur / Thermomechanik / instationäres Temperaturkriechen / Schallemissionsanalyse / Ultraschall / Polypropylen Fasern / Brand / numerische Simulation / Stützen
Schlagwörter (EN)high strength concrete / temperature / thermomechanical loading / transient creep / acoustic emission analysis / ultrasound / polypropylene fibres / fire / numerical simulation / columns
Schlagwörter (GND)Hochfester Beton / Thermomechanische Eigenschaft / Hochtemperaturverhalten
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-33433 Persistent Identifier (URN)
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Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung [8.07 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Das Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung unterscheidet sich wesentlich von dem des normalfesten Betons. Dies bedeutet, dass bestehende Annahmen sowie Berechnungsverfahren mit zugehörigen Materialparametern, die von einem normalfesten Beton ausgehen, nicht ohne weiteres auf den hochfesten Beton übertragen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher exemplarisch für einen hochfesten Beton das Verhalten unter thermomechanischer Beanspruchung untersucht.

Dabei wurden die Einflüsse verschiedener Randbedingungen bei der Prüfung sowie der Einfluss von Polypropylenfasern (PP-Fasern) im Beton auf die thermomechanischen Materialeigenschaften charakterisiert und ein wesentlicher Beitrag zur Klärung der Ursachen geleistet. Weiterhin wurde mit Hilfe der gewonnenen Kennwertfunktionen ein Materialmodell entwickelt und damit das Trag- und Verformungsverhalten von Stahlbetonstützen aus hochfestem Beton unter Brandbeanspruchung rechnerisch beschrieben. Anhand eines Bauteilversuchs wurde das Berechnungsverfahren validiert. Die Bearbeitung erfolgte in drei Teilen.

In dem ersten Teil dieser Arbeit wurde ein thermomechanischer Prüfstand entwickelt, in dem die Ermittlung der thermomechanischen Materialkennwertfunktionen exemplarisch für einen hochfesten Beton erfolgte. Ein wesentlicher Untersuchungsgegenstand war der Einfluss der Belastungsgeschichte während der Erwärmung auf die Spannungs-Dehnungs-Linien. Dabei wurde eine Reduzierung des temperaturbedingten Abfalls der Festigkeit und des E-Moduls mit zunehmender Belastung und Temperatur festgestellt. Mit zerstörungsfreien und zerstörenden Prüfverfahren konnte gezeigt werden, dass die Belastung während der Erwärmung eine Orientierung der Risse bewirkt und dadurch der Abfall in der Festigkeit und dem E-Modul verringert wird.

Der Einfluss hoher lokaler Temperaturgradienten auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen wurde ebenfalls untersucht. Zwar entstehen infolge thermomechanischer Spannungen zusätzliche Risse im Betongefüge, diese wirken sich jedoch nicht wesentlich auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen aus.

Weiterhin wurde der Einfluss von PP-Fasern auf das Verformungsverhalten des Betons bei instationärer Temperaturbeanspruchung untersucht. Mit Hilfe thermogravimetrischer Versuche konnte gezeigt werden, dass die PP-Fasern durch ihre Wirkung im Beton den Feuchtetransport je nach Aufheizrate zwischen 180 C und 250 C beschleunigen. Dies führt zum Schwinden des Zementsteins, das der thermischen Dehnung entgegenwirkt und in der Verformungskurve als Stagnation wahrgenommen wird. Ohne PP-Fasern findet der Feuchtetransport wesentlich langsamer statt und eine Stagnation in der Verformungskurve bleibt aus. Bei Temperaturen oberhalb von 300 C sind die thermischen Dehnungen des Betons mit PP-Fasern geringer und die mechanischen Dehnungen höher als ohne PP-Fasern.

In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurden Stahlbetonstützen aus dem gleichen Beton, für den die thermomechanischen Kennwertfunktionen ermittelt wurden, unter Brandbeanspruchung geprüft. Nach der Beanspruchung erfolgte zusätzlich die Charakterisierung der Rissbildung mittels 3D-Röntgen-Computertomographie.

In dem dritten Teil dieser Arbeit wurde auf der Grundlage der Ergebnisse des ersten Teils ein Materialmodell in Anlehnung an den Eurocode 2 entwickelt. Mit diesem konnte das Trag- und Verformungsverhalten der Stahlbetonstützen aus hochfestem Beton im Brandfall hinreichend genau abgebildet werden. Im Rahmen der Validierung zeigte sich, dass die charakteristischen Kenngrößen des Modells (E-Modul und Festigkeit) zwingend aus den instationären Kriechversuchen abgeleitet werden müssen.

Sofern die Festigkeit nur aus den stationären Versuchen abgeleitet wird, wird das Tragverhalten deutlich überschätzt.

Zusammenfassung (Englisch)

The thermomechanical behaviour of high strength concrete differs from normal strength concrete. Hence existing assumptions and calculation methods which are based on the behaviour of normal strength concrete cannot be used for high strength concrete without further modification. In this study the thermomechanical behaviour was investigated exemplarily for one high strength concrete. Thereby the influence of different test conditions as well as the influence of PP fibres in the concrete on the thermomechanical properties were studied. Furthermore a major contribution was made to the clarification of the main causes. Based on the obtained material characteristics a concrete material model was developed. It was validated with a column fire test and enables the numerical simulation of reinforced high strength concrete columns under fire load. The study was accomplished in three parts.

In the first part of the study a test device was developed in which the thermomechanical properties were determined exemplarily for one high strength concrete. One essential object of investigation was the influence of the load history during heating on the stress-strainrelation. It was observed that increasing load and temperature resulted in a reduction of the temperature induced decrease of compressive strength and modulus of elasticity. With non-destructive and destructive testing methods it was shown that the load causes an orientation of the cracks which leads to the reduction of the loss in compressive strength and modulus of elasticity. The influence of high local temperature gradients on the thermomechanical properties of the material was also investigated. The thermomechanically induced stresses are causing additional formation of cracks in the microstructure, but their influence on the material properties is not significant. Furthermore the influence of PP fibres on the transient strain was investigated in more detail. Thermogravimetric experiments showed that due to the influence of PP fibres the moisture transport proceeds accelerated in the temperature range from 180 C to 250 C depending on the heating rate.

This leads to shrinkage of the cement paste that counteracts the thermal strain and is visible as stagnation in the deformation curve. Without PP fibres the moisture transport proceeds more slowly and hence no stagnation is observed in the deformation curve. Above 300 C the concrete with PP fibres exhibits lower thermal strain and higher mechanical strain than concrete without PP fibres.

In the second part of the study reinforced concrete columns made of the same high strength concrete were tested under fire load. After the exposure, the crack formation was characterised with 3D X-ray computer tomography.

In the third part of the study a concrete material model according to Eurocode 2 was developed based on the results obtained in the first part of the study. Applying this model the deformation behaviour and the fire resistance time of the columns under fire load were simulated with sufficient accuracy. The validation revealed that the characteristic material properties (compressive strength and modulus of elasticity) have to be deduced from transient creep tests. If the compressive strength is derived only from stationary tests the fire resistance time is significantly overestimated.