P 834 – Untersuchung von Schraubenverbindungen im Stahl- und Verbundbau zur Schaffung von Regeln für die numerische Bemessung des baulichen Brandschutzes im Hochbau

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Beschreibung

P 834 – Untersuchung von Schraubenverbindungen im Stahl- und Verbundbau zur Schaffung von Regeln für die numerische Bemessung des baulichen Brandschutzes im Hochbau

Im vorliegenden Forschungsprojekt werden Anschlüsse im Stahl- und Verbundbau mit hochfesten Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 im Brandfall untersucht. Mit Einführung der Komponentenmethode ist es heute möglich,   Gesamttragwerke bei Raumtemperatur unter Berücksichtigung des Anschlussverhaltens zu simulieren. Im Brandfall ist dies bislang nicht möglich, da zum einen eine Umsetzung der Komponentenmethode oder eines vergleichbaren numerischen Modells für den Brandfall fehlt und zum anderen bislang keine validierten Materialgesetze für hochfeste Schrauben im  Brandfall zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund werden auf Basis von Versuchsreihen zunächst Materialkennwerte für hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 während und nach einem Brand entwickelt. Darunter fällt sowohl die  Untersuchung des reinen Schraubenmaterials mittels stationärer und instationärer Warmzugversuche als auch die  Untersuchung von Schraubengarnituren in Zug- und Abscherversuchen. Bei letzteren hat neben dem Material auch die  Schraubengeometrie einen großen Einfluss auf das Verhalten.
Im Rahmen der Untersuchungen zeigt sich, dass die Schrauben im Temperaturbereich bis 420°C durch das übliche Gewindeabstreifen versagen. Im Temperaturbereich von 420°C bis 650°C versagen die Schrauben hingegen infolge eines Risses im Gewindegrund. Es kann gezeigt werden, dass dieser Riss auf flüssigmetallinduzierte Spannungsrisskorrosion (LME) zurückzuführen ist. Oberhalb von 650°C versagen die Schrauben infolge von Flankenbiegung. Als Ergebnis der Materialuntersuchungen stehen damit zukünftig validierte Materialkennwerte für die Modellierung von Schrauben innerhalb von Anschlusssimulationen zur Verfügung, welche die verschiedenen Versagensformen bei unterschiedlichen Temperaturen berücksichtigen. Zusätzlich werden thermische und mechanisch numerische Modelle entwickelt, mit denen das Verhalten von Kopfplattenund Fahnenblechanschlüssen im Stahl- und Verbundbau beschrieben werden kann. Die Modelle werden durch Brandversuche an zwei hochbauüblichen Anschlüssen validiert. Innerhalb der Versuche und der numerischen Modelle wird dabei ein Temperaturfeld berücksichtigt, welches auf der Einheits-Temperaturzeitkurve und einer typischen Brandschutzbeschichtung durch einen  dämmschichtbildenden Anstrich basiert. Es werden ein Kopfplattenanschluss im Stahlbau und ein Fahnenblechanschluss im Verbundbau untersucht. Im Falle des Fahnenblechanschlusses wird bei Raumtemperatur davon ausgegangen, dass es sich um einen gelenkigen Anschluss handelt. Es wird gezeigt, dass sich eine Momententragfähigkeit im Brandfall einstellen kann, sofern dem vorzeitigen Versagen der durchlaufenden Bewehrung vorgebeugt wird. Für die beiden Anschlussarten werden schließlich auf Basis der Komponentenmethode vereinfachte Federmodelle entwickelt, mit denen Steifigkeit und  Tragfähigkeit der Anschlüsse im Brandfall ermittelt werden können.
Zusammenfassend ist es zukünftig möglich, auf Basis von validierten Schraubeneigenschaften mittels Finite-Elemente- oder Federmodellen das Verhalten von Anschlüssen im Brandfall zu beschreiben und in Tragwerksberechnungen zu  berücksichtigen.
Das IGF-Vorhaben 16586 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover vom Institut für Stahlbau und an der Technischen Universität Darmstadt vom Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik durchgeführt.

Veröffentlichung:
Juli 2014