Numerische Analyse brandbeanspruchter Stützen aus ultrahochfestem Beton (UHPC)

Aufgrund gestiegener ästhetischer Anforderungen an Gebäudetragwerke werden vermehrt sehr schlanke Bauteile eingesetzt, wobei die fortschreitende Forschung und Entwicklung in der Betontechnologie es ermöglicht, diese Bauteile auch aus ultrahochfestem Beton (UHPC) auszuführen. Verglichen mit Normalbeton führen die hohen Packungsdichten von UHPC sowie die Zugabe von Stahlfasern zu einer sehr hohen Druckfestigkeit bei gleichzeitig duktilem Verhalten. Aus brandschutztechnischer Sicht ergeben sich aus den Materialeigenschaften und den schlanken Bauteilen allerdings grundsätzliche Nachteile. Eine hohe Packungsdichte führt bei der Verdampfung des physikalisch gebundenen Wassers zu hohen Dampfdrücken und Betonabplatzungen, welche entweder die Bewehrung freilegen oder auch das komplette Bauteil zerstören können. Das für den Brandfall ungünstige Verhältnis von Oberflächen- zu Volumen schlanker Bauteile führt außerdem zu einem schnelleren Durchwärmen und somit zu schnellerem Verlust der Tragfähigkeit.

Im Rahmen des Forschungsprojekts "Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung und Optimierung des Brandverhaltens von ultrahochfestem Beton" des Schwerpunktprogramms 1182 der Deutschen Forschungsgemeinschaft wurden zwei repräsentative UHPC-Rezepturen entwickelt, welche durch betontechnologische Maßnahmen und die Beigabe von Polypropylenfasern hinsichtlich des Abplatzens ertüchtigt wurden. Außerdem wurden Untersuchungen zur Bestimmung der thermischen und mechanischen Materialeigenschaften durchgeführt. Als Validierungsgrundlage wurden abschließend vier Stützenversuche durchgeführt. In diesem Beitrag wird die numerische Modellierung des Tragverhaltens von brandbeanspruchten UHPC-Stützen mithilfe eines Finite-Elemente-Modells gezeigt und anhand der Versuchsergebnisse validiert.