Bestimmung der thermischen Materialkennwerte von Normalbeton für die brandschutztechnische Bemessung von Verbundbauteilen nach Eurocode 4 Teil 1-2

Projektbeschreibung

Bei der Überführung des Eurocodes 4 Teil 1-2 für die brandschutztechnische Bemessung von Stahlverbundbauteilen von der ENV- in die EN-Version sind die thermischen Materialkennwerte von Normalbeton neu definiert worden. Die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit ist dabei so festgelegt worden, dass innerhalb eines vorgegebenen Bereiches in den einzelnen Mitgliedsländern im Rahmen der Nationalen Anhänge dem nationalen Sicherheitsniveau entsprechende Festlegungen zu treffen sind. Diese national festzulegenden Parameter sind für den Bereich Stahlbetonbau und Stahlverbundbau einheitlich zu formulieren. Dabei muss sichergestellt werden, dass das derzeitige Bemessungsniveau allgemein und die bestehenden Bemessungstafeln und vereinfachten Berechnungsverfahren speziell im Bemessungsergebnis nicht spürbar verändert werden.

Die thermischen Materialkennwerte der Werkstoffe Baustahl, Betonstahl und Beton sind eine fundamentale Festlegung in den Eurocodes zur brandschutztechnischen Bemessung. Sie dienen insbesondere zur Harmonisierung der in numerischen Simulationsverfahren zugrunde gelegten Materialparameter und damit der auf numerischem Wege erzielten Beurteilungen zum Feuerwiderstand der Bauteile. Diese Berechnungsgrundlagen sind somit auch Basis für die Entwicklung zukünftiger vereinfachter Nachweismethoden und den Nachweis für neuartige Querschnittstypen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Erarbeitung eines Regelvorschlages für die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit von Normalbeton. Dabei sollte insbesondere erreicht werden, dass das bisherige Sicherheitsniveau der brandschutztechnischen Nachweise im Stahlverbundbau nach dem Eurocode aufrechterhalten wird.

Dazu wurde zunächst das Problem der instationären Wärmeleitung betrachtet und anschließend einen Ansatz über die Temperaturleitfähigkeit erarbeitet. Dabei wurde davon ausgegangen, dass die Berechnungsergebnisse und das bisherige Sicherheitsniveau annähernd gleich bleiben, wenn sich die Temperaturleitfähigkeit nach ENV- und prEN-Fassung nicht verändert. Auf dieser Grundlage wurde ein Verlauf für die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit erarbeitet, welcher etwas oberhalb der oberen Grenze nach prEN-Fassung liegt (vgl. Abbildung 1). Da der Regelvorschlag zwischen der oberen und unteren Grenze verlaufen muss, wurde die obere Grenze gewählt. Dieser Verlauf wurde mit Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Hosser abgestimmt, der die thermischen Materialkennwerte von Normalbeton für den Stahlbetonbau am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig untersucht. Anschließend wurden die „neuen“ Materialparameter von Normalbeton anhand eines quadratischen Betonquerschnittes mit den bisherigen Materialparametern verglichen sowie gemessenen Temperaturverläufen aus einem aktuellen Brandversuch an einem Tübbing gegenübergestellt.

Im Stahlverbundbau existieren verschiedene Ausführungsvarianten hinsichtlich der Querschnittsgestaltung. Die ungleichen Querschnittstypen weisen ein unterschiedliches Erwärmungsverhalten auf und werden deshalb auch unterschiedlich von den Annahmen bezüglich der temperaturabhängigen Wärmeleitfähigkeit beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eine kammerbetonierte Verbundstütze, ein Verbundstütze mit vollständig einbetoniertem Stahlprofil, eine Verbundstütze aus einem ausbetoniertem Hohlprofil und ein kammerbetonierter Verbundträger untersucht. Dazu wurden Gegenüberstellungen berechneter Erwärmungsverläufe auf Basis der bisherigen Regelungen (ENV) und der zukünftigen Regelungen durchgeführt und zusätzlich mit gemessenen Temperaturen aus Brandversuchen verglichen. Aus allen vergleichenden Berechnungen ist zu erkennen, dass an Messstellen, an denen die Materialkennwerte des Betons die Temperaturen maßgeblich beeinflussen, nach prEN-Fassung etwas geringere Temperaturen als nach ENV-Fassung ermittelt werden. Im Gegensatz dazu werden an Messstellen, die im Wesentlichen von den Stahleigenschaften abhängig sind, die Temperaturen nach prEN-Fassung etwas höher ermittelt. Ein Vergleich der Feuerwiderstandszeiten zeigt, dass Bauteile mit außen liegenden Stahlteilen bei der Berechnung nach prEN-Fassung konservativere Ergebnisse liefern, als bei der Berechnung mit den bisherigen Materialkennwerten. Dagegen werden für vollständig einbetonierte Stahlquerschnitte höhere Versagenszeiten ermittelt. Bei zunehmender Betonfeuchtigkeit erhöhen sich auch die berechneten Feuerwiderstandszeiten. Die im Versuch ermittelten Versagenszeiten liegen gegenüber den berechneten Versagenszeiten bei allen drei Stützenquerschnitten auf der sicheren Seite. Beim Trägerquerschnitt stimmen sie bei der Annahme von 0 % Betonfeuchtigkeit mit den berechneten Werten überein.

Das durch die Regelungen der ENV-Fassung definierte Sicherheitsniveau wurde auch mit den „neuen“ Materialparametern eingehalten.

Mit der oberen Grenze nach prEN-Fassung des Eurocodes 4-1-2 vom Oktober 2003 ist eine akzeptable Lösung für die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit von Normalbeton definiert worden. Für diese Werte wurde durch die vergleichenden Berechnungen bestätigt, dass das bisherige Sicherheitsniveau nach ENV eingehalten wird.

Vertragspartner

• Institut für Stahlbau, Leibniz Universität Hannover
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