Brandschutz von Stahl- und Verbundkonstruktionen - Forschung, … · 2018-06-19 · SN EN 1993 & SN...
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Brandschutz von Stahl- und Verbundkonstruktionen –Forschung, Entwicklung und Normung
steelacademy 2018 | Winterthur 21. Juni 2018 1
Markus KnoblochRuhr-Universität BochumLehrstuhl für Stahl-, Leicht- und Verbundbau
Brandereignisse der vergangenen Jahre – Europa und USA Liverpool Echo Arena Parkhausbrand –
31. Dezember 2017 ca. 1400 Fahrzeuge zerstört Massive Betonabplatzungen
Greenfell Tower London – 14. Juni 2017 Defekter Kühlschrank Ausgangspunkt des Brandes Brandausbreitung vmtl. durch vorgehängte hinterlüftete Fassade
beschleunigt Tod von 71 Bewohnern einschließlich vieler Kinder
TU Delft, Fakultät für Architektur – 13. Mai 2008 Einsturz eines Stahlbetongebäudes mit 13 Geschossen
Oakland Bridge – 29. April 2007 Tanklastwagen prallt in Brückenkonstruktion (Teil-)Einsturz durch Brand nach 22 Minuten monatelange Verkehrseinschränkungen
Windsor Tower Madrid – 12. Februar 2005 Teileinsturz – Abriss
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Brandschutz von Stahl- und Verbundkonstruktionen –Forschung, Entwicklung und Normung Feuer ein extremes Ereignis – einige Fakten Weiterentwicklung der Schweizer und
Europäischen Tragwerksnormen – ein Überblick Lösungsansätze für baulichen Brandschutz Präskriptiver bauteilorientierter Ansatz Schutzziel- und tragwerksorientierter Ansatz
Mechanische Hochtemperatureigenschaften hochfester Baustähle Betongefüllte Hohlprofilstützen Zusammenfassung & Schlussfolgerungen
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Feuer ein extremes Ereignis – einige FaktenFeuer tritt niemals / selten während der Lebensdauer eines Gebäudes auf hat enorme Folgen (wenn es auftritt)
Direkter finanzieller Verlust infolge Gebäudebränden 0.1 % - 0.4 % des BIP (Bruttoinlandsprodukt) in Industriestaaten
Schutzziele Personensicherheit (Bewohner/Nutzer und Feuerwehr Schutz der Nachbarn und ihrer Güter Begrenzung der Sachschäden (Gebäude und Inhalt) auf ein wirtschaftlich
akzeptables Maß Schutz der Umwelt
Massnahmen technische (Sprinkler-, Brandmeldeanlagen etc.), organisatorische (Feuerwehr,
Kontrollen etc.) und bauliche (Feuerwiderstände, Brandabschnitte etc.) Maßnahmen
bauliche Maßnahmen gewährleisten strukturelle Stabilität und Brandabschnittsbildung
Kosten von Brandschutzsystemen (Deutschland & Schweiz) ~ 2 – 3% der gesamten Baukosten bis zu 15% (in einigen Fällen sogar mehr) der Kosten des Stahltragwerks
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Eurocodes – Eckdaten und Beziehungen zu den Schweizer Tragwerksnormen Die Eurocodes (EC) repräsentieren europäische Normen für die
Bemessung und Konstruktion von Bauwerken im Hoch- und Brückenbau sowie in der Geotechnik
Die Zielsetzungen sind u. a.: Harmonisierung der Bemessungskonzepte und technischer Regelungen
innerhalb Europas Verbesserung des grenzübergreifenden Austausches und internationaler
Kooperationen im Rahmen von Bauprojekten Rahmen von Bau- und Ingenieurverträgen
SN EN 1993 (Eurocode 3: Stahlbau) und SN EN 1994 (Eurocode 4: Verbundbau) wurden 2005/06 eingeführt, die Nationalen Anhänge folgten 2016. Für die Brandbemessung ist der Hamonisierungsgrad zu den Schweizer Tragwerksnormen besonders hoch
Gegenwärtig werden die Europäischen Tragwerksnormen weiterentwickelt (2nd Generation). Die Schweizer Normenkommissionen beteiligen sich aktiv an der Ausgestaltung.
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0: Structural safety, serviceability and durability
1: Actions on structures
2: Concrete 3: Steel
4: Composite 5: Timber
6: Masonry 9: Aluminium
7: Geotechnics 8: Earthquake
Design and detailing
Anwendung und Verbreitung der Eurocodes
Eurocodes – Eckdaten und Beziehungen zu den Schweizer Tragwerksnormen
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Eurocode 0: Grundlagen der Tragwerksplanung
Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke
Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton-und Spannbetontragwerken
Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten
Eurocode 4: Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton
Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten
Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten
Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik
Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben
Eurocode 9: Bemessung und Konstruktion von Aluminiumtragwerken
SIA 260: Grundlagen der Projektierung von Tragwerken
SIA261: Einwirkungen auf Tragwerke
SIA 262: Betonbau
SIA 263: Stahlbau
SIA 264: Stahl-Beton-Verbundbau
SIA 265: Holzbau
SIA 266: Mauerwerk
SIA 267: Geotechnik
Zeitliche Entwicklung der Normung im Stahl- und Verbundbau
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1980 81 82 83 84 85 86 87 88 89 1990 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 09 2010 11 12 13 14 15 16 17 202X
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Entwicklung der Europäischen Tragwerksnormen
Entwicklungdprozess der Europäischen Tragwerksnormen (Mandat M/466) Förderung/Begleitung von Innovationen (mit Bezug zu Materialien und Produkten,
Bautechnik und Forschung) sowie Berücksichtigung und Integration der nachhaltigen Marktentwicklung in Eurocodes
Berücksichtigung neuer gesellschaftlicher Forderungen und Bedürfnisse Erleichterung der Harmonisierung nationaler technologischer Initiativen im Bereich neuer
Themen im Bausektor
Weiterentwicklung der bestehenden Trawerksnormen (Mandat M/515) Vereinfachung und Harmonisierung bestehender Regeln Erarbeitung neuer Regeln im Hinblick auf zukünftige Anforderungen Reduzierung der Nationalen Festlegungen (NDP) Anpassung an Stand der Technik, Einbeziehung aktueller Ergebnisse
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Weiterentwicklung und Einführung der Europäischen Tragwerksnormen
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2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 202020042003
EN/SN EN-Fassungen
1. Änderungen & Korrekturen
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Nationale Anhänge
Konsolidierte Fassungen 2010/12
2. Generation Eurocodes
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Überarbeitung durch PTs
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EU Mandat M/466
EU Mandat M/515
SIA 260-267 (Ausgabe 2003) SIA 260-267 (Ausgabe 2013)
2021
Publikation einschl. Formalitäten wieCEN Enquiry kannbis 2024 dauern
Phase 1
Phase 2
Phase 3
Phase 4
Weiterentwicklung der Europäischen Tragwerksnormen –Organisationsstruktur CEN/TC 250
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Management GroupChairman: S Denton
Chairman´s AdvisoryPanel(s)
CEN/TC 250 Structural Eurocodes
Chairman: S DentonVice Chair: M FardisSecretary: T Wilkins [BSI]CEN PM: G AscensaoNEN M/515 lead: M Lurvink
CEN/TC 250 Subcommittees
SC 10 – EN 1990 BasisChairman: P FormichiSecretary: V Meløysund [SN]]
SC 1 – EN 1991 ActionsChairman: N MalakatasSecretary: J Brunner [DIN]]
SC 2 – EN 1992 ConcreteChairman: H GanzSecretary: D Zorcec [DIN]]
SC 3 – EN 1993 SteelChairman: U KuhlmannSecretary: S Kempa [DIN]]
SC 4 – EN 1994 CompositeChairman: G CouchmanSecretary: J Duncan [BSI]]
SC 5 – EN 1995 TimberChairman: S WinterSecretary: A Stenmark [SIS]]
SC 6 – EN 1996 MasonaryChairman: R Van der PluijmSecretary: P Rauh [DIN]]
SC 7 – EN 1997 GeotechnicsChairman: A BondSecretary: M Lurvink [NEN]]
SC 8 – EN 1998 Seismic designChairman: P BischSecretary: A Correia [IPQ]]
SC 9 – EN 1999 AluminiumChairman: F MazzolaniSecretary: R Sægrov [SN]]
SC 11 – EN Structural GlassChairman: `M FeldmannSecretary: S Tiedtke [DIN]]
CEN/TC 250 Coordination Group
Chairman: S DentonSecretary: T Wilkins [BSI]
WG 1 Policy and guidelinesConvenor: J Moore [UK]
Horizontal Group BridgesConvenor: P Croce
Horizontal Group FireConvenor: B Zhao
WG 4 Fibre reinforced polymerConvenor: L Ascione [UNI]
Other Tier 1 WG´s
WG 2 Existing StructuresConvenor: P Lüchinger [SNV]
WG 5 Membrane StructuresConvenor: M Molleart [AFNOR]
WG 6 RobustnessConvenor: R Caspeele [NEN]
Weiterentwicklung der Europäischen Tragwerksnormen (für EN 1990 & EC 1 bis EC 4 dargestellt)
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CEN/TC 250Structural Eurocodes
CEN/TC250/SC10 (ex. WG7)
Basis of design
Development of second generation of Eurocodes by Project Teams (PTs)
CEN/TC250/SC1Actions on structures
CEN/TC250/SC2Design of concrete
structures
CEN/TC250/SC3Design of steel
structures
CEN/TC250/SC4Design of composite
structures
WG7.T1, SC10.T2 SC1.T1 … SC1.T11
SC2.T1 … SC2.T3
SC3.T1 … SC3.T6 … SC3.T13
SC4.T1 … SC4.T7, SC4.T8
HG-B.T1: Bridges – consultation activities and ease of use reviewHG-B.T2: Bridges – ease of use and technical consistency reviewHG-F.T1: Harmonization of fire parts of Structural Eurocodes
Horizontal Groups
Nationale SpiegelausschüsseKTN – Kommission für Tragwerksnormen
NK SIA 260 NK SIA 261 NK SIA 262 NK SIA 263 NK SIA 264
Weiterentwicklung der Europäischen Tragwerksnormen –Project Team SC3.T6
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Task Reference SC3.T6
Task Name Fire design of Steel Structures – Revised EN 1993-1-2
Outline Task Scope
Harmonisation of stability rules between fire design and cold design; General simplification of design rules; Improvement of design rules taking into account modern calculation methods; Extension of design rules taking into account modern steel grades as e.g. high strength steel and stainless steel.
Sub-Tasks 1. Reduction in number of National Choices (NDPs)2. Enhanced ease of use3. Material properties for cooling phase of real fires4. Aspects of stability verification (structural and geometrical imperfections for advanced
calculation methods; additional rules for the buckling length of unbraced frames; improvement of existing buckling curves for LTB)
5. Joints (Improvement of Annex D – more realistic and more general design, introduction of improved design rules for welds and bolts)
6. Cellular beams7. Stainless steel8. High strength steel9. Design rules for class 4 cross-sections10. Temperature-dependent ductility of structural steel
Weiterentwicklung der Europäischen Tragwerksnormen –Horizontal Group Fire & EN 1993-1-14
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Lösungsansätze für baulichen Brandschutz –Präskriptiver bauteilorientierter Ansatz stellt das Bauteil (Stütze, Träger, Verbindung) in den Mittelpunkt der
Betrachtungen zur Erfüllung der funktionalen Anforderungen fordert, dass die Bauteile den Brandeinwirkungen für eine
angemessene Zeitdauer ohne Versagen und Stabilitätsverlust widerstehen
Zwei implizite Annahmen:I. Das Versagen eines Bauteils im Brandfall führt zum Verlust der
Tragfähigkeit des TragwerksII. Eine ausreichende Brandsicherheit des Tragwerks ist gegeben sofern
alle Bauteile über eine ausreichende Feuerwiderstandsfähigkeit verfügen
→ Bauteilorientierter Ansatz→ Beide Annahmen sind nicht vollständig zutreffendDer Ansatz hat zur Entwicklung einer Reihe von vereinfachten Nachweisverfahren beigetragen, um die Tragfähigkeit auf der Grundlage von Normbrandversuchen zu bewerten steelacademy 2018 | Winterthur 21. Juni 2018 | Markus Knobloch 15
Lösungsansätze für baulichen Brandschutz –Normbrandversuche Normbrandversuche bieten eine konsistente Grundlage zur
Beurteilung des Feuerwiderstandes von Bauteilen Einflüsse auf Material-, Querschnitts- und Bauteilebene
werden implizit berücksichtigt Die Versuche beabsichtigen keine Einflüsse auf
Tragwerksebene zu erfassen Thermische/mechanische Rand- und Lagerungs-
bedingungen beeinflussen das Verhalten der Versuchskörper und können sich in realen Bränden deutlich unterscheiden
Eine zutreffende Beurteilung der Brandsicherheit eines Tragwerks ausschließlich aufgrund des Verhaltens der Einzelbauteile in Normbrandversuchen ist meist nicht möglich
Eine sorgfältige Versuchsdokumentation unterstützt die Validierung analytischer und numerischer Modelle
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Experimentelle und numerische Studie zum Brandverhalten betongefüllter Hohlprofil-
stützen mit massiven Stahlkernen
Lösungsansätze für baulichen Brandschutz –Präskriptiver bauteilorientierter AnsatzSchwächen infolge der impliziten Annahmen des Ansatzes: Tragwerke besitzen häufig ausreichend Redundanz für
alternativen Lastabtrag→ Bauteilversagen und/oder der Verlust einer Lastabtragungsmöglichkeit
führt selten zum Tragwerksversagen und Stabilitätsverlust
Vereinfachte Nachweisverfahren basieren üblicherweise auf den mechanischen Beanspruchungen und Rand-/Lagerungsbedinungen bei Normaltemperatur
→ Die mechanische Beanspruchung und die Rand-/Lagerungs-bedingungen können sich im Brandfall unterscheiden
→ Eine ausreichender Widerstand aller Bauteile impliziert nicht in jedem Fall Stabilität des Tragwerkes
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Möglicher Versagensmechanismus von WTC 7Quelle: NIST Report
Quelle: Cardington Fire Tests
Lösungsansätze für baulichen Brandschutz –Schutzziel- und tragwerksorientierter AnsatzReale Brandereignisse und großmaßstäbliche Brandversuche bestätigten, dass sich Tragwerke im Brandfall besser verhalten, als auf der Grundlage von Brandversuchen an Bauteilen vorhergesagtDer schutzziel- und tragwerksorientierte Ansatz stellt eine geeignete Alternative dar, wenn vereinfachte Verfahren zu
unrealistischen, restriktiven oder unwirtschaftlichen Ergebnissen führen kann helfen, Schwächen des präskriptiven bauteilorientierten Ansatzes zu
überwinden
Hohe Kosten verhindern oftmals großmaßstäbliche Brandversuche→ (nicht validierte) numerische Simulationen bleiben mit Unsicherheiten
behaftetDer schutzziel- und tragwerksorientierte Ansatz erfordert ein fundiertes Verständnis der grundlegenden wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Prinzipien
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Einfach
Komplex
Konservativ
Genau
Großer Anwendungsbereich
Mehr Einschränkungen
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Erweiterte Berechnungsmodelle des schutzziel- und tragwerksorientierten AnsatzesAllgemeine Berechnungsverfahren sollten eine realistische Untersuchung von Tragwerken
unter Brandbeanspruchung gestatten sollten auf grundlegenden physikalischen
Gesetzmäßigkeiten basieren sollten (Einzel-)berechnungen enthalten für
→ die Temperaturentwicklung und –verteilung in den Bauteilen (thermisches Verhaltensmodell) und
→ das Tragverhalten der Konstruktion oder Teilen davon (mechanisches Verhaltensmodell)
sollten validiert sein (z.B. durch Versuchsergebnisse) und die Sensitivität der Ergebnisse sollte überprüft werden
bedingen eine enge Zusammenarbeit aller Beteiligten und Vereinbarungen über die Eingangsgrößen, Szenarien und Berechnungsverfahren mit den Behörden
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Brandmodell
Thermisches Modell
(Trag-)Strukturmodell
UnveränderlicheEingangsgrößen:
Eingangsgrößen die sichüber die Branddauerverändern können:
Brandlast(Brand-)
RaumgeometrieVentilation
Brandtemperatur Größe und Ort des Brandes
Thermische Materialeigenschaften
Brandschutzmaßnahmen
MaterialienBauteil-
/Tragwerks-geometrie
Abplatzen Beton etc.
Temperaturgradienten
QuerschnittMechanische
Beanspruchung
Mechanische Materialeigenschaften
Rand-/Lagerungsbedingungen
VerformungenSpannungen
TragwiderstandFeuerwiderstandsdauer
Mechanische Hochtemperatureigenschaften hochfester Baustähle – Versuchskörper, -aufbau und -verfahrenDehnratenkontrollierte stationäre Versuche: Temperaturen: 20°C, 400°C, 550°C, 700°C and 900°C Unterschiedliche konstante Dehnraten Hochfeste Baustähle (S690QL und S960QL) Plattenmaterial der Dicke von 12 und 40 mm Zwei relative Positionen in Dickenrichtung: Kern- und
Randlage
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Versuchskörper. Geometrie und Probenposition in Dickenrichtung
Versuchsaufbau. Eingebauter Versuchskörper imPrüfofen.
Stahl-güte
Blech-dicke [mm]
Chemische Zusammensetzung (%)
C Si Mn P S N Cu Mo Ni Cr V Nb Ti B Zr Al CEV
S690QL 12 0.139 0.28 1.45 0.010 0.0011 0.0039 0.018 0.008 0.021 0.320 0.001 0.022 0.002 0.0016 0.0002 0.063 0.45
S690QL 40 0.168 0.318 1.35 0.010 0.0006 0.0039 0.020 0.220 0.050 0.277 0.000 0.023 0.001 0.0016 0.0002 0.038 0.50
S960QL 12 0.165 0.279 0.88 0.011 0.0008 0.0044 0.028 0.511 0.513 0.496 0.045 0.011 0.001 0.0002 0.0002 0.034 0.56
S960QL 40 0.157 0.280 1.12 0.011 0.0012 0.0046 0.042 0.514 0.714 0.769 0.002 0.026 0.003 0.0018 0.002 0.064 0.65
Chemische Zusammensetzung von untersuchten hochfesten Baustähle
Mechanische Hochtemperatureigenschaften hochfester Baustähle – Spannungs-Dehnungs-Beziehungen
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Versagensarten und Bruchflächen repräsentativer Versuchskörper
Ergebnisse der 40-mm-S690QL-Stahlbleche in Abhängigkeit der Probenposition und der Dehnrate: Spannungs-Dehnungs-Kurven bei erhöhten Temperaturen (links) und Duktilitätsparameter (rechts)
Mechanische Hochtemperatureigenschaften hochfester Baustähle – Abminderungsfaktor des Elastizitätsmoduls
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Abminderungsfaktor-Temperatur-Beziehung des Elastizitätsmoduls für Stahlgüten bis S700 (links) und oberhalb S700 (rechts)
Mechanische Hochtemperatureigenschaften hochfester Baustähle – Abminderungsfaktor der effektiven Fließgrenze
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Abminderungsfaktor-Temperatur-Beziehung der effektiven Fließgrenze für Stahlgüten bis S700 (links) und oberhalb S700 (rechts)
Mechanische Hochtemperatureigenschaften für die Abklingphase von Naturbrandszenarien
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Abminderungsfaktor-Temperatur-Beziehung der effektiven Fließgrenze aufgrund des nicht-reversiblen Verhaltens, Materialzugversuche an hochfesten Schrauben FK8.8 HV (Datenquelle: F. Hanus et al., JCSR 67)
Schematische Darstellung von Naturbrandversuchen
Betongefüllte Hohlprofilstützen –Anhang H der SN EN 1994-1-2 Anhang H der SN EN 1994-1-2 beinhaltet ein
vereinfachtes Berechnungsverfahren für betongefüllte Hohlprofile mit allseitiger Brandbeanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve (ISO-Normbrand)
Insbesondere Britische Versuche und neuere Spanische Versuche an hochschlanken Stützen zeigten, dass Anhang H zu nicht konservativen Bemessungs-ergebnissen führen kann
Die Anwendung des Verfahrens ist daher gegenwärtig auf gedrungene Stützen (bezogener Schlankheitsgrad ̅ 0.5) beschränkt (SN EN 1994-1-2/A1:2014)
Das Project Team SC4.T4 hat neue Bemessungsregeln entwickelt
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Vergleich experimentell ermittelter Feuerwiderstände mit Anhang H (Quelle: CEN/TC250/SC4/N 1835)
Betongefüllte Hohlprofilstützen –Anhang H der SN EN 1994-1-2
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Betongefüllte Hohlprofilstützen –Anhang H der SN EN 1994-1-2
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Modellierung und Simulation des Brandverhaltens –Betongefüllte Hohlprofilstützen mit massivem StahlkernMerkmale der Komponenten im Brandfall: Hohlprofil → verhindert Abplatzen Betonfüllung → reduziert die
Aufheizgeschwindigkeit Massiver Stahlkern →
Haupttragelement im Brandfall
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Betongefüllte Hohlprofilstützen mit massivem Stahlkern. Normbrandversuch und Anwendung der Verbundstützen im Geschossbau
Modellierung und Simulation des Brandverhaltens –Einfluss variierender Randbedingungen
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Versuch 1 Versuch 3Versuch 2
Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4D [mm] 133.0 219.1 219.1 219.1t [mm] 4.0 4.5 4.5 4.5
Dcore [mm] 60.0 110.0 110.0 150.0tc [mm] 32.5 50.1 50.1 30.1L [mm] 3540.0 3600.0 3600.0 3600.0
[-] 1.515 a) 0.687 a) 0.687 a) 0.652 a)
Npl,20°C [kN] 1876.4 a) 4911.0 a) 4911.0 a) 6683.5 a)
NR,20°C [kN] 579.6 3497.2 a) 3497.2 a) 4972.5 a)
P0 [kN] 85.0 2000.0 1500.0 1900.0μ [-] 0.16 0.57 0.43 0.38tf [min] 93 24 169 179
BC pinned-pinned pinned-fixed pinned-fixed pinned-fixed
a) Gemäss EN 1994-1-2:2010, berechnet mit experimentell ermitteltenMittelwerten
Modellierung und Simulation des Brandverhaltens –Einfluss variierender Randbedingungen
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Einfluss von Randbedingungen bei der Modellierung des Tragverhaltens betongefüllter Hohlprofilverbundstützen mit massivem Stahlkern. Modellantwort vs. Versuchsdaten von Brandversuch 4 (links) und Brandversuch 3 (rechts)
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Der präskriptive bauteilorientierte Ansatz basiert auf Erfahrungen
und Normbrandversuchen an Bauteilen. Die auf dem Ansatz basierenden Methoden sind einfach anzuwenden, allgemein akzeptiert und bedürfen keiner zusätzlichen Verifizierung in der Baupraxis.
Der schutzziel- und tragwerksorientierte Ansatz bietet sich für komplexere Tragwerke an. Er gründet auf Methoden des Brandingenieurwesens und bedarf gut ausgebildeter, verantwortlich handelnder Ingenieure sowie der Verifizierung der Ergebnisse.
Zwischen Schweizer und Europäischen Tragwerksnormen besteht bereits ein hoher Harmonisierungsgrad im Bereich der Brandbemessung. Die Weiterentwicklung der Normen (2nd
Generation) insb. im Hinblick auf allgemeine Bemessungsverfahren unter Verwendung numerischer Simulationen bieten Chancen für den Stahl- und Verbundbau. Die Verfahren können Vorteile hinsichtlich Kosten und/oder Ästhetik aus einer Reduktion erforderlicher Brandschutzmaßnahmen oder anderer präskriptiver Vorschriften bieten und neue – in präskriptiven Vorschriften nicht vorgesehen –Konstruktionsformen ermöglichen.
steelacademy 2018 | Winterthur 21. Juni 2018 | Markus Knobloch 33
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