Feuerwiderstand von feuerverzinkten Verbundträgern aus höher- und hochfesten Baustählen

Abstract

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden der Feuerwiderstand von feuerverzinkten Ver-bundträgern aus höher- und hochfesten Baustählen sowie das Erwärmungsverhalten von An-schlussdetails im Brandfall untersucht. Auf Basis der Forschungsergebnisse sollen dafür An-gaben und anwenderfreundliche Bemessungsregeln für den Brandfall entwickelt werden. Um das Tragverhalten von hochfesten, thermomechanisch gewalzten Feinkornbaustählen un-ter Brandbeanspruchung beurteilen zu können, ist es erforderlich, die thermischen und ther-momechanischen Werkstoffeigenschaften näher zu betrachten und zu bestimmen. Dabei wur-den die temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Stahlsorten S460M und S690QL un-tersucht, da die in DIN EN 1993-1-2 formulierten Eigenschaften nicht direkt auf diese Stähle übertragbar sind. An diesen Stählen wurden daher sowohl stationäre als auch instationäre Zug-versuche durchgeführt. Die DASt-Richtlinie 022 gilt derzeit nur für Stahlfestigkeiten bis S500 nach DIN EN 10025-1 bis DIN EN 10025-4 sowie für vergleichbare Stähle nach DIN EN 10210 und DIN EN 10219. Eine Erweiterung der Regeln auf S690 in den Lieferzuständen Q/QL war Gegenstand von Untersu-chungen, allerdings mit Beschränkung auf die Konstruktionen und Details dieses Projektes. Dazu wurden zunächst die ertragbaren plastischen Dehnungen für S355J2, S460M und S690QL mit der LNT-Probenform nach DASt-Richtlinie 022 für zwei verschiedene Dehnraten in stationären und mobilen LNT-Belastungseinrichtungen durchgeführt. Großmaßstäbliche Verzinkungsversuche wurden durchgeführt, um Verformungen und Temperaturen während des Verzinkungsprozesses zu messen. Zusätzlich wurden Detailklassen und Dehnungsanfor-derungen für die Stahlsorten S460M und S690QL mit Finite Elemente Methoden (FEM) analy-siert und Simulationen zur Flüssigmetallversprödung (LME) durchgeführt. Zur Untersuchung des Verhaltens von feuerverzinkten Verbundträgern unter thermischer und mechanischer Beanspruchung wurden drei Großbrandversuche durchgeführt. Die Versuche wurden mit unterschiedlichen Trägergeometrien und -höhen aus den Stahlsorten S460M und S690QL, Stahlkategorie B nach DIN EN ISO 14713-2 ausgeführt. Im Hinblick auf eine effizien-tere Bauhöhe und ein besseres Erwärmungsverhalten im Brandfall wurden einfachsymmetri-sche Träger mit minimierten Obergurtdicken und kompakten Untergurten dimensioniert. Mit den Versuchsdaten wurden Finite-Elemente-Modelle (FE-Modelle) für Verbundträger validiert und in weiteren Parameterstudien verschiedene Aspekte wie Geometrie, Verdübelungsgrad und Trägerlänge untersucht. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, den erforderlichen Min-destverdübelungsgrad im Brandfall für feuerverzinkte Verbundträger zu bestimmen und eine mögliche einfach-symmetrische Ausbildung des Stahlprofils zu definieren. In weiteren Versuchen wurde das Temperaturverhalten von Anschlüssen zwischen mit reakti-ven Brandschutzsystemen geschützten und feuerverzinkten Trägern im Brandfall untersucht. Das Erwärmungsverhalten im Anschlussdetail bei unterschiedlichen Trägerhöhen und An-schlusskonfigurationen wurde mit Hilfe von Versuchen und FE-Simulationen untersucht. Ziel davon war die Entwicklung einer anwenderfreundlichen analytischen Lösung zur Bestimmung der Temperatur im Anschlussdetail. Datei-Upload durch TIB As part of the research project, the fire resistance of hot-dip galvanised composite beams made of higher-strength and high-strength structural steels and the heating behaviour of connection details in the case of fire were investigated. Based on the research results, information and user-friendly design rules are to be developed for the case of fire. In order to be able to assess the load-bearing behaviour of high-strength, thermomechanically rolled fine-grained structural steels under fire exposure, it is necessary to examine and deter-mine the thermal and thermomechanical material properties in more detail. The temperature-dependent material properties of the steel grades S460M and S690QL were analysed, as the properties formulated in DIN EN 1993-1-2 cannot be directly transferred to these steels. Both steady-state and transient tensile tests were therefore carried out on these steels. The DASt guideline 022 currently only applies to steel strengths up to S500 according to DIN EN 10025-1 to DIN EN 10025-4, as well as for similar steels according to DIN EN 10210-1 and DIN EN 10219-1. An extension of the rules to S690 in the delivery states Q/QL was the subject of investigations, however, limited to the designs and details of this project. To this end, the tolerable plastic strains for S355J2, S460M and S690QL were initially determined using the LNT specimen mould in accordance with DASt guideline 022 for two different strain rates in stationary and mobile LNT loading facilities. Large-scale galvanising tests were carried out to measure deformations and temperatures during the galvanising process. In addition, detail classes and strain requirements for the steel grades S460M and S690QL were analysed using finite element methods (FEM) and simulations of liquid metal embrittlement (LME) were carried out. Three large-scale fire tests were carried out to investigate the behaviour of hot-dip galvanized composite beams under thermal and mechanical stress. The tests were carried out with differ-ent beam geometries and heights using steel grades S460M and S690QL, steel category B according to DIN EN ISO 14713-2. Single-symmetrical beams with minimised top flange thick-nesses and compact bottom flanges were dimensioned with a focus on a more efficient overall height and better heating behaviour in the case of fire. The test data was used to validate finite element models (FE models) for composite beams and various aspects such as geometry, degree of stud shear connections and beam length were investigated in further parameter stud-ies. The results will help to determine the required minimum degree of stud shear connections in the event of fire for hot-dip galvanized composite beams and to define a possible single-symmetrical design of the steel profile. In further tests, the temperature behaviour of connections between beams protected with reac-tive fire protection systems and hot-dip galvanized beams in the event of fire was investigated. The heating behaviour in the connection detail with different beam heights and connection con-figurations was investigated with the help of tests and FE simulations. The aim was to develop a user-friendly analytical solution for determining the temperature in the connection detail.