Fire Resistance of Innovative and Slender Concrete Filled Tubular Composite Columns

Das Verhalten druckbeanspruchter Verbundbauteile bei Raumtemperatur wurde in den letzten Jahrzehnten umfassend untersucht. Aufgrund dieser Untersuchungen wurden vereinfachte Bemessungsmethoden entwickelt, welche im Eurocode 4 enthalten sind. Infolge dessen wurden Verbundstützen immer beliebter und werden in zahlreichen Hochhäusern und mehrstöckigen Gebäuden verwendet.

Neben ihrer Tragfähigkeit und ihrer architektonisch attraktiven Querschnittsform bieten kreisförmige und elliptische Querschnitte eine Vielzahl an Vorteilen. Sie sind ohne zusätzlichen Brandschutz im Stande einen Feuerwiderstand von R90 und höher zu erzielen. Weiterhin können zusätzliche Stahlkerne innerhalb der Stütze die Tragfähigkeit bei Raumtemperatur und im Brandfall erhöhen. Dies geschieht durch den langsameren Temperaturanstieg der Stahlkerne bedingt durch den Schutz durch die Betonfüllung. Das Verhalten dieser Stützen mit integriertem Stahlkern in außergewöhnlichen Brandfällen ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Es gibt bisher keine Empfehlungen für die Tragwerksplanung im Brandfall.

Vor allem wurde die Lasteinleitung bisher nicht im Detail erforscht. Es sind zwar einige Untersuchungen dazu in der Literatur zu finden, jedoch beziehen sich diese hauptsächlich auf Bedingungen bei Raumtemperatur. Im Brandfall gibt es bisher nur wenige Untersuchungen. Die Besonderheit hierbei ist, dass die Lastverteilung an den Enden der Stützen nicht einheitlich ist. Als Beispiel kann man eine hohle Stütze mit Betonfüllung und einer unvervormbaren Lasteinleitungsplatte am Stützenkopf nehmen (siehe Abbildung 2). Die äußere Hülle dehnt sich durch die thermische Dehnung schneller aus und trägt anfänglich die Last. Sobald die maximale Tragfähigkeit dieser Hülle erreicht wird und die Hülle zu fließen beginnt, trägt der Beton die Last. Bei hohlen Stützen mit einem massiven Stahlkern tritt dieses Phänomen in derselben Art auf. Es ist nicht geklärt in welcher Größenordnung sich die Last zwischen Betonfüllung und Stahlkern verteilt. Außerdem gibt es viele Möglichkeiten die Last in die Stütze einzuleiten. Diese Art der Lasteinleitung impliziert ein gutes Verbundverhalten zwischen Stahl und Beton, so dass die Last auf den gesamten Querschnitt verteilt wird. Der Eurocode 4 und die DIN 18800-5 bieten Empfehlungen für diesen speziellen Anwendungsbereich bei Raumtemperatur. Für erhöhte Temperaturen sind keine Informationen vorhanden.

Um dieses Verhalten genauer zu verstehen werden experimentelle und numerische Untersuchungen innerhalb des Forschungsprojekts durchgeführt. Drei unterschiedliche Arten der Lasteinleitung werden in Brandversuchen in kleinem Maßstab berücksichtigt, um den Einfluss der Lasteinleitung zu erforschen. Das Verbundverhalten wird durch Bolzen sichergestellt. Die Proben werden durch eine konstante axiale Kraft belastet und einer 90 minütigen Brandbelastung nach Einheits-Temperaturzeitkurve ausgesetzt. Die Spannungsverteilung im Querschnitt wird gemessen um ein tieferes Verständnis für die Lastverteilung während eines Brandes zu erhalten. In diesem Zusammenhang werden zehn Brandversuche in einem kleinen Maßstab durchgeführt werden. Numerische Lösungen werden mit den Testergebnissen verglichen und ermöglichen eine umfangreiche Parameter-studie.

Partner

• Universidad Politécnica de ValenciaCentre Technique Industriel de la Construction Métallique (CTICM)
• Institut für Stahlbau, Leibniz Universität Hannover
• Imperial College London, Structures Section, Department of Civil Engineering
• University of Coimbra
• AIDICO, Technological Institute of Construction
• CONDESA, Conducciones y Derivados