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Entwicklung eines 3D thermo-hygro-mechanischen Modells für Beton unter Brandbeanspruchung und Anwendung auf Befestigungen unter Zuglasten
(2009) Periskic, Goran; Ozbolt, Josko (Prof.Dr.-Ing.habil.)
In der vorliegenden Arbeit wird ein thermo-hygro-mechanisches Modell für die Simulation des Betonverhaltens unter Temperaturbeanspruchung vorgestellt. Die Berechnungen der Temperatur, der Porenfeuchte und des Porendruckes basieren auf dem Vorschlag von Bazant & Thonguthai (1978). Dabei handelt es sich um ein 1-phasiges, phänomenologisches Modell in dem zwei Zustände des Porenwassers unterschieden werden - gesättigt und nichtgesättigt. Die relative Permeabilität des Betons, die einen entscheidenden Einfluss auf die Verteilung der Porenfeuchte und des Porendruckes hat, wird als Funktion der Temperatur und der Porenfeuchte definiert. In der Gleichgewichtsanalyse werden die mechanischen Eigenschaften des Betons in Abhängigkeit von der Temperatur reduziert. Weiterhin werden die thermischen Dehnungen, die von der Temperatur ("freie thermische Dehnung") bzw. von der Temperatur und der Belastung ("last-induzierte thermische Dehnung") abhängen, dem mechanischen Dehnungstensor hinzugefügt. Schließlich wird der Porendruck als "innere" Belastung in Form von volumetrischer Spannung, der wesentlich von der Porosität des Betons beeinflusst wird, berücksichtigt. Ferner werden für die Porosität, die Permeabilität, die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Rohdichte, also die Parameter, die den Feuchte und Wärmetransport steuern, in Abhängigkeit von der Rissbreite definiert. Dadurch kann im Modell der Einfluss von Rissen bzw. Schädigungen im Beton auf die Verteilung von Temperatur, Porendruck und Porenfeuchte berücksichtigt werden. Als zentrale Anwendung des Modells wurde eine Parameterstudie zur Untersuchung von explosiven Abplatzungen durchgeführt. Das Ziel der Studie war, die Ursache für das Abplatzungsphänomen zu identifizieren, sowie den Einfluss von wesentlichen Parametern auf das Abplatzungsverhalten zu klären. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass explosionsartige Abplatzungen sowohl vom Porendruck, der als Folge niedriger Durchlässigkeit des Betons (Permeabilität) für Wasserdampf in den Poren entsteht, als auch von den thermischen Spannungen, die aufgrund der behinderten thermischen Ausdehnung in der oberflächennahen Schicht parallel zur erhitzten Bauteiloberfläche entstehen, abhängen. Der Porendruck ist dabei von entscheidender Bedeutung, da er für die Entstehung der ersten Risse im Beton verantwortlich ist. Sobald sich die ersten Risse ausbilden, knickt die oberflächennahe Schicht infolge des Porendruckes aber auch durch die aufgestaute Energie in Form behinderter Druckspannungen aus. Die FE-Studie zeigt weiterhin, dass die Permeabilität den stärksten Einfluss auf die explosionsartige Abplatzung hat. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter Verwendung des entwickelten Modells Befestigungen unter zentrischer Zugbeanspruchung und Brandeinwirkung hinsichtlich der Versagensart Betonausbruch untersucht. Es wurden Einzelbefestigungen mit und ohne Randeinfluss sowie Gruppenbefestigungen ohne Randeinfluss numerisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die relative Resttragfähigkeit der Befestigung hauptsächlich von der Verankerungstiefe und der Erhitzungszeit abhängt. Bei kleinen Verankerungstiefen wird eine starke Abnahme beobachtet, da sich der ausbildende Bruchkegel im Bereich hoher Temperaturen befindet. Mit zunehmender Verankerungstiefe nimmt der Einfluss der hohen Temperaturen ab. Weiterhin nimmt mit zunehmender Erhitzungszeit die Tragfähigkeit der Befestigungen stark ab. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass bei Kopfbolzen mit einer Verankerungstiefe von hef = 50 mm nach 90 Min. Branddauer das Versagen bereits unter der zulässigen Gebrauchslast für den kalten Zustand auftritt. Bei Verankerungen mit hef = 200 mm wird nach 90 Min. Erhitzungsdauer nahezu die Tragfähigkeit der Befestigung bei normaler Temperatur erreicht. Schließlich werden Veränderungen des Bemessungskonzepts vorgeschlagen, die sich auf die Versagensart Betonausbruch beziehen. Die Abnahme der Tragfähigkeit der Befestigung wird über einen zusätzlichen Faktor innerhalb des CC-Verfahrens berücksichtigt. Damit kann die Tragfähigkeitsabnahme nach 30, 90 und 120 Min. berechnet werden. Dies führt zu einer wirtschaftlicheren Bemessung, da die derzeitige Bemessung nur für 90 und 120 Min. Erhitzung gilt. Nach den numerischen Untersuchungen gilt der Bemessungsverfahren bei randnahen Befestigungen für Verankerungen ab einem Randabstand c = 100 mm. Die derzeit gültige Begrenzung von cmin = 300 mm erscheint zu konservativ. Die vorgeschlagen Veränderungen des Bemessungskonzepts sollten allerdings durch Versuche bestätigt werden.