Berechnung des Trag- und Verformungsverhalten von Bauteilen aus Stahl und Beton unter Brandbeanspruchung

Bauteile und Bauwerke sollen unter Brandeinwirkung gewisse Feuerwiderstandsdauer nachweisen und brandschutztechnische Auflagen erfüllen. Die übliche Vorgehensweise der Klassifizierung und der brandschutztechnischen Bemessung basiert entweder auf den normativen Bauteilnachweisen mit vorgegebenen Abforderungen an die Bauteile, die häufig zu einer konservativen Lösung führen, oder auf dem bauaufsichtlichen Verfahren, das einer kostenintensiven Brandprüfung für die Nachweise zugrunde liegt. Alternativ dazu finden Ingenieurmethoden im Brandschutzingenieurwesen immer stärker eine Anwendung, mit denen anhand der realistischen Temperaturbelastung und tatsächlichen Tragund Verformungsverhalten der Bauteile im Gesamttragwerk die wirtschaftlichen schutzzielorientierten Brandschutzmaßnahmen getroffen werden können. Die Untersuchung der Trag- und Verformungsverhalten kann in der Regel mit Modellen aus der Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden. Diese Methode ist relativ jung, jedoch in den Eurocodes [EC-2], [EC-3] und [EC- 4] befinden sich die Angaben darüber, in welchen Ausmaßen diese Berechnungen stattgefunden hat.
Im Stahlbau wird die Finite-Elemente-Methode erfolgreich umgesetzt, jedoch treten bei der numerischen Berechnung der betonhaltigen Bauteile sehr oft die Schwierigkeiten, die sich dadurch erklären lassen, dass der Beton einen spröden Materialverhalten aufweist und im Zugbereich sofort reißt. Deswegen soll das Stahlbetonmaterial- und Geometriemodell in der Lage sein einerseits das Trag- und Verformungsverhalten im Brand realitätsnah zu simulieren und anderseits das stabile Konvergenzverhalten aufzuweisen. Ziel dieser Arbeit ist die Möglichkeit die moderne Bauteile aus Beton, mit Anwendung der Finite- Elemente-Methode zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird im ersten Kapitel eine Literaturrechresche zu den Versuchsergebnissen und FE-Simulationen von Deckenplatten in Stahlbeton- und Verbundbauweise durchgeführt. Im nächsten Kapitel werden das Materialverhalten von Bewehrungsstahl und Beton nach DIN EN 1992-1-2 und DIN EN 1993-1-3 zusammengestellt. Im vierten Kapitel werden die Materialgesetze ausdiskutiert, die ihre Anwendung in Finite- Elemente-Programm ANSYS finden.
In Rahmen dieser Arbeit wird ein Beton-Materialmodell und zugehörige Materialbibliothek 'ANSYS/Multiplas' von Firma „DYNARDO“ in Brandfall untersucht. Dieses Materialmodell hat sich gut bei der Simulation der Trag- und Verformungsverhalten bei Raumtemperatur durch realitätstreue Beschreibung des Betonmaterialverhaltens bewährt. Es ist notwendig dieses Materialmodell
im Brandfall zu untersuchen und validieren. Validierung des Multiplas-Materialmodells genauso wie der anderen Materialmodellen und verwendete Elementtypen wird einerseits durch einen Vergleich der Ergebnisse der analytischen Berechnung und anderseits durch die Nachrechnung eines Versuchs Q1/82 durchgeführt. Im Rahmen dieses Versuchs wurde eine vierseitig gelagerte
Stahlbetonplatte unter der Brandeinwirkung im Zuge Sonderforschungsbereiches 148 an der TU Braunschweig untersucht. Die Berechnungen wurden mit dem Finite-Elemente- Programm ANSYS 11,0 durchgeführt.