Numerische Simulation des Verhaltens von Betontragwerken unter Brandeinwirkung: Fid-Bau Portal

Numerische Simulation des Verhaltens von Betontragwerken unter Brandeinwirkung

Aschaber, Matthias / Feist, Christian / Hofstetter, Günter

Das in diesem Beitrag vorgestellte numerische Rechenmodell für Beton- und Stahlbetonstrukturen unter Brandeinwirkung umfasst die instationäre thermische und mechanische Analyse unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der thermischen und mechanischen Eigenschaften des Betons und des Bewehrungsstahls im Rahmen des im Eurocode 2, Teil 1-2, enthaltenen phänomenologischen Ansatzes. Als Grundlage für das konstitutive Modell für Beton unter hohen Temperaturen dient ein auf der Plastizitätstheorie in Kombination mit der Schädigungsmechanik beruhendes Werkstoffmodell, für den Bewehrungsstahl wird ein elasto-plastisches Materialmodell verwendet. Die Annahme, dass zwar die mechanischen Eigenschaften des Betons und des Bewehrungsstahls von der Temperatur abhängen, die Temperaturverteilung im Tragwerk jedoch nicht vom mechanischen Tragverhalten beeinflusst wird, erlaubt die numerische Simulation des Verhaltens eines Tragwerks unter Brandeinwirkung durch die sequentielle Lösung eines instationären Wärmeleitungsproblems und eines instationären mechanischen Problems. Die mittels der Methode der finiten Elemente bestimmte numerische Lösung der Fourierschen Differentialgleichung der Wärmeleitung ergibt die zeitliche und örtliche Verteilung der Temperatur im Tragwerk. Die bekannten Temperaturen werden in das ebenfalls mechanische FE-Modell zur Ermittlung der thermischen Dehnungen und der temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe Beton und Bewehrungsstahl übernommen. Als Grundlage für das konstitutive Modell für Beton unter hohen Temperaturen dient das auf der Plastizitätstheorie in Kombination mit der Schädigungsmechanik beruhende und im Finite-Elemente-Programmsystem ABAQUS implementierte Betonmodell. Das vorgestellte Rechenmodell wird anhand der numerischen Simulation von Brandversuchen an scheibenförmigen Betonprobekörpern und eines Großversuches an einer Stahlbetonplatte unter Brandeinwirkung überprüft und zur Prognose des Tragverhaltens eines in offener Bauweise hergestellten Tunnelbauwerks unter Brandeinwirkung angewendet. Die numerische Studie zeigt, dass mit dem vorgestellten Rechenmodell das Tragverhalten von Beton- und Stahlbetonbauwerken unter Brandeinwirkung zufriedenstellend nachvollzogen werden kann.

The proposed numerical model for concrete and reinforced concrete structures subjected to fire comprises the transient thermal and mechanical analysis considering the temperature dependent material properties of concrete and reinforcing steel within the framework of the phenomenological approach of the Eurocode 2, part 1-2. A concrete model, based on the combination ofplasticity and damage theory, serves as the basis for the material model of concrete for high temperatures. For reinforcing steel a standard elastic-plastic material model is employed. The proposed model is validated by the numerical simulation of fire tests on plain concrete specimens and by the numerical simulation of a large scale fire test on a reinforced concrete slab. Furthermore it is used to determine the structural integrity of a tunnel structure, put up by the cut-and-cover method, exposed to fire.