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Titelaufnahme

Titel
Safety assessment of underground structures subjected to fire loading : from a fire spalling test recommendation towards a concrete spalling assessment procedure / Dipl.-Ing. Marcus Maier
VerfasserMaier, Marcus
Begutachter / BegutachterinnenBergmeister, Konrad
Betreuer / BetreuerinnenLackner, Roman
ErschienenInnsbruck, August 2018
Umfangxii, 141 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2018
Datum der AbgabeAugust 2018
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Betonabplatungen / Abplatzbewertung / Brandsicherheit / Beton / Permeabilität / Tunnelsicherheit / Feuchtigkeit / Brandversuche
Schlagwörter (EN)Fire Spalling / Concrete / Fire Safety / Permeability / Tunnel safety / Fire spalling assessment method / Moisture / Fire testing
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-30988 Persistent Identifier (URN)
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Safety assessment of underground structures subjected to fire loading [28.19 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der bauliche Brandschutz und im Speziellen das Brandverhalten von Beton ist von großem Interesse bei der Planung von Sicherheitskonzepten sowie bei der Bemessung von Konstruktionen aus Stahlbeton. Im Falle eines Brandes erfährt Beton einerseits Schädigungen durch chemische Umwandlungsprozesse der Zementmatrix und des Zuschlags und andererseits erhebliche Schädigung durch das Abplatzen des Betons, welches zur Querschnittsveringerung führt. Betonabplatzungen werden den thermomechanischen Prozessen zugeschrieben welche durch die behinderte Ausdehnung des Betons als auch durch die Thermo-hydraulischen Mechanismen versursacht werden. Für die Thermo-hydraulische Schädigung kann hauptsächlich die Entwicklung des Wasserdampfs und dessen Transport in der Zementmatrix verantwortlich gemacht werden. Für eine Bewertung des Abplatzrisikos sind neben dem Wasser-, und Wasserdampftransport auch die mechanischen Eigenschaften und deren Verhalten bei hohen Temperaturen zu berücksichtigen.

Die große Herausforderung bei der Bewertung von Beton unter Brandlast ist derzeit, dass keine geregelten Bewertungskriterien aufbauend auf Versuchsprozederen für eine Beurteilung von Betonrezepturen zur Verfügung stehen. Des Weiteren gibt es keine Empfehlungen über abplatzrelevante Parameter welche bei Brandversuchen ermittelt werden sollten und bei jeder Brandprüfung bzw. Bewertung mitberücksichtigt werden sollten. Eine weitere Herausforderung ist die ständige Weiterentwicklung von Betonrezepturen, z.B.: die Verwendung von neuen Zuschlägen, Zusatzstoffen und Zement für die Schonung der Umwelt, welches zu ungewissen Brandverhalten der Rezepturen führt und neuen Bewertungen mittels standardisierten Versuchen erfordert.

In der vorliegenden Arbeit soll diese Herausforderung in Angriff genommen werden indem ein Prozedere für die Durchführung von Brandversuchen vorgestellt wird, mittels diesem Verfahren die Key-Parameter identifiziert werden welche für eine Abplatzbewertung von Beton verantwortlich sind und abschließend eine Bewertungsmethode für das Brandverhalten von Beton vorgestellt wird. Zu diesem Zweck wurden Brandversuchen an Platten mit L x B x H = 80 x 50 x 12 cm mittels des eigens entwickelten Zweikammer Brandofen durchgeführt. Dieser Zweikammer Brandofen erlaubt eine verbesserte Reproduzierbarkeit von Norm-Temperaturzeitkurven speziell in der für das Abplatzverhalten relevanten Anfangsphase der Versuchsdauer. Dies wurde durch die Trennung des Brenners von der Prüfkammer realisiert wodurch nur die benötigte Temperatur in die Prüfkammer geleitet wird. Da wie zuvor erwähnt die Transporteigenschaften des Betons von hoher Bedeutung für das Abplatzen sind wurde bei den Versuchen der Schwerpunkt auf die Permeabilität, Porosität und der Wassergehalt gelegt. Dies wurde durch die Variation des Wasser-Bindemittelwertes sowie durch verschiedenen Sättigungsgrader der Probekörper bewerkstelligt.

Um den Einfluss des Zuschlags zu untersuchen wurden Brandversuche an Rezepturen mit quarzhaltigen Zuschlägen als auch an Rezepturen mit Bündner-Schiefer, gewonnen aus dem Brenner Basistunnel, durchgeführt. Die chemische und mineralogische Bewertung der Zuschläge bei erhöhten Temperaturen erfolgte mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) sowie mittels simultaner thermischer Analyse (STA). Diese Analysen erlaubten die Ermittlung der mineralogischen Komponenten der Zuschläge sowie die Beurteilung der chemischen Zersetzungsprozesse welche zum Festigkeitsverlust bei erhöhten Temperaturen beitragen.

Die erhaltenen Ergebnisse zeigten den signifikanten Einfluss der Transporteigenschaften in Kombination mit dem vorhandenen Wassergehalt der Struktur auf das Abplatzverhalten von Beton. Die durchgeführten Versuche an gesättigten bzw. an teilgesättigten Probekörpern erlaubte die Identifikation von Key-Parametern, welche für die Bewertung des Abplatzverhaltens relevant sind. Mit diesen Parametern konnte in weiterer Folge ein Bewertungsverfahren zur Abschätzung des Abplatzrisikos, der Abplatzmenge sowie deiner Abschätzung der maximalen Abplatztiefe vorgestellt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Concrete fire behavior is of great interest when fire safety plans are developed as well as during the designing process of engineering structures. During a fire attack, concrete exhibit damage due to chemical changes of the matrix on the on hand as well as severe damage due to explosive spalling of concrete pieces on the other hand. The origin of spalling is attributed to themomechanical processes induced by the restrained thermal dilation and thermohydral processes which are associated with the water and vapor transport within a concrete matrix. Besides the water and vapor transport process, mechanical properties of a concrete mixture and their changing behavior during fire exposure are of high interest which attributes to the risk of spalling.

The challenges witch have to be faced by assessing fire spalling behavior of a concrete mixture is that up to now an unified assessment method and fire testing procedure is lacking. In addition, no recommendations on parameters influencing damage which are present and hence, comparing of fire test results of various research groups and laboratories are challenging. Furthermore, improvements of concrete mixtures, to meet customers requirements or to reduce environmental impact and construction costs, leading to new mix designs with unknown fire behavior.

This research project is devoted to establish a fire spalling procedure, identifying key parameters necessary to assess fire behavior of concrete mixtures, combining the obtained key findings to finally recommend a fire spalling assessment method. To assess the fire spalling behavior and to identify governing key parameters responsible for explosive fire spalling, fire tests were conducted on slabs of L x W x T = 80 x 50 x 12 cm by using a novel Two-Chamber-Fire-Furnace (TCFF). This TCFF allows an enhanced reproduction of temperature histories and a monitoring of the spalling behavior during fire testing. Due to the fact, that transport properties and environmental condition significantly impact explosive fire spalling, particular emphasis was placed on permeability, porosity and the moisture content of the specimens. Therefore, fires spalling tests were conducted on different concrete mixtures with varying saturation degrees ranging from dry to saturate.

To assess the influence of the type of aggregates, investigation of the thermo-chemical behavior as well as fire spalling behavior on concrete mixtures containing Bündner-Schist from the Brenner Basetunnel and siliceous aggregates were performed. For this purpose, X-ray diffraction (XRD) and simultaneous thermal analysis (STA) were conducted to investigate the effect of high temperature on the mineralogical changes of the aggregates and concrete mixtures. These thermo-chemical analyses allowed a quantification of the mineralogical composition of the aggregates and the cement paste. Furthermore, the results enable an identification of phase transitions and chemical changes of the investigated samples which are responsible for the decomposition and loss of strength.

The obtained results illustrate the significant influence of the transport properties in combination with the initial water content on explosive fire spalling. Tests on saturated and partly-saturated specimens allowed the identification of key parameters necessary to assess fire spalling behavior of concrete mixtures. With these obtained key parameters a ranking and evaluation method to estimate the spalling risk, spalling volume and maximum spalling depth of concrete mixtures could be presented.

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