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.
Dissertation Dr. techn. Sven Huismann (PDF, 8 MB)