Dipl.-Ing. Timo Stein
Numerische Analyse der Tragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen im Brandfall
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung des Tragverhaltens von Stahlbetonbauteilen unter hohen Temperaturen. Das Modell soll numerische Simulationen zur systematischen Untersuchung des Verbundwerkstoffes Stahlbeton erlauben.
Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen können zu einem zuverlässigen und zugleich wirtschaftlichen Einsatz des Verbundwerkstoffes beitragen, wenn die Eigenschaften von Stahlbetonbauteilen beurteilt und ihre zeitabhängigen Veränderungen über die gesamte Lebensdauer prognostiziert werden können. Dabei müssen neben gewöhnlichen mechanischen und umweltbedingten Einwirkungen auch potenzielle Extremereignisse (Brandfall, Erdbeben, etc.) berücksichtigt werden.
Eine genaue Vorhersage des Tragverhaltens von Stahlbetonbauteilen während eines Brandfalls und die Beurteilung der Resttragfähigkeit nach einem Brandfall können auf Grundlage von Erkenntnissen aus Erfahrungen und experimentellen Untersuchungen getroffen werden. Hierbei handelt es sich jedoch immer um Einzelfälle und die Durchführbarkeit entsprechender Experimente ist im Besonderen hinsichtlich der Abmessungen der zu untersuchenden Bauteile eingeschränkt. Eine Alternative sind numerische Simulationen, die mit Hilfe von physikalischen oder auch chemischen Modellen die Prognose des Werkstoffverhaltens unter verschiedensten Einflüssen erlaubt.
Mit den Arbeiten von Ostermann und Cramer liegt ein Modell vor, mit dessen Hilfe numerische Simulationen von Betonbauteilen durchgeführt werden können, bei denen die wesentlichen während der Lebensdauer potentiell auftretenden Einflüsse berücksichtigt sind. Mit dieser Arbeit soll das Modell um die Berücksichtigung von Bewehrung ergänzt werden, um das thermo-mechanische Verhalten des Verbundwerkstoffes im Brandfall untersuchen zu können.
Die Berücksichtigung der Bewehrung erfolgt geometrisch konform, das heißt entsprechend der Modellierung des Betons dreidimensional. Die Rippen der Bewehrung sind im geometrischen Modell jedoch vernachlässigt. Die Verbundwirkung zwischen der Bewehrung und dem umliegenden Beton ist in einem Verbundmodell beschrieben, das mit Interface-Elementen diskretisiert ist. Mit dem gewählten Vorgehen lässt sich die im vorliegenden Modell verfolgte formale Behandlung der zu berücksichtigenden unterschiedlichen Prozesse nicht nur fortführen, sondern darüber hinaus hinsichtlich der drei Komponenten Beton, Verbund und Bewehrungsstahl übertragen.
Publikationen im Rahmen des GRK:
Konferenzbeiträge mit Veröffentlichung:
T. Stein, U. Kowalsky and D. Dinkler. Numerical analysis of reinforced concrete structures with particular focus on bond behaviour. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), Special Issue: 87th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), 16(1):241-242, 2016.
Konferenzteilnahmen mit eigenem Beitrag:
T. Stein, M. Schauer, U. Kowalsky and D. Dinkler. Numerical analysis of reinforced concrete structures with particular focus on bond behaviour. In: 89th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), München, Germany, 2018.
weiterführende Literatur:
F. Cramer, U. Kowalsky and D. Dinkler. Coupled chemical and mechanical processes in concrete structures with respect to aging. Coupled systems mechanics, 2014.
L. Ostermanna and D. Dinkler. Modelling and numerical simulation of concrete structures subject to high temperatures. Coupled systems mechanics, 2014.