Bemessung von Voll- und Brettschichtholz für den Brandfall - Theoretische Grundlagen.

Die derzeit gültigen Regeln zur Bemessung von Holzbauteilen im Brandfall beruhen auf der Annahme einer linear elastischen Arbeitslinie. Ein wirklichkeitsnahes Materialgesetz zur Berücksichtigung des plastischen Tragverhaltens bei Druckbeanspruchung liegt den Betrachtungen nicht zugrunde. Es handelt sich aus den genannten Gründen um vereinfachte Methoden, die keine optimale wirtschaftliche Bauwerksausführung, wie sie für andere Baustoffe üblich ist, ermöglichen. Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines allgemeingültigen thermisch-strukturmechanischen Modells zur Simulation der Tragfähigkeiten von Voll- und Brettschichtholzbauteilen im Brandfall. Dabei standen insbesondere die Variationsmöglichkeiten der Eingangsparameter, wie die Wahl der Festigkeitsklassen des Holzes, der Beanspruchung des Bauteils sowie der Brandbeanspruchungsart und -dauer im Vordergrund.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis I
Abbildungsverzeichnis VI
Tabellenverzeichnis XV
Formelzeichen und Abkürzungen XVIII
1 Einführung 1
1.1 Ausgangssituation und Problembeschreibung 1
1.2 Stand der Forschung 3
1.2.1 Kenntnisstand zum Abbrandverhalten und zur Temperaturbeanspruchung von Holz im Brandfall 4
1.2.2 Kenntnisstand zum Einfluss der Temperatur auf die mechanischen Eigenschaften und das Tragverhalten von Holz im Brandfall 6
1.3 Ziel der Arbeit 8
1.4 Gliederung der Arbeit 8
2 Thermische Querschnittsanalysen 10
2.1 Verbrennungs- und Zersetzungsprozesse 10
2.2 Wärmetechnische Grundlagen 12
2.2.1 Wärmeleitung (Konduktion) 13
2.2.2 Wärmeübergang (Konvektion) 14
2.2.3 Wärmestrahlung (Radiation) 14
2.2.4 Pyrolyse von Holz 16
2.2.5 Latente Wärme und Enthalpie 18
2.3 Thermische Materialeigenschaften von Holz im Brandfall 20
2.3.1 Allgemeines 20
2.3.2 Wärmeleitfähigkeit 21
2.3.3 Spezifische Wärmekapazität 24
2.3.4 Rohdichte 27
2.3.5 Änderung der Enthalpie unter Berücksichtigung des Phasenübergangs 28
2.4 Thermisches Modell 29
2.4.1 Das 3-D Temperatur-Volumenelement SOLID 70 30
2.4.2 Das 3-D Oberflächeneffekt-Element SURF 152 30
2.4.3 Brandbeanspruchung nach DIN EN 1363-1 (ISO 834-1) 31
2.4.4 Modellierung des Querschnitts 32
2.5 Ergebnisse thermischer Querschnittsanalysen 33
2.5.1 Validation des thermischen Modells anhand vorliegender Versuchsergebnisse 33
2.5.2 Abbrandgeschwindigkeit 38
2.5.3 Mittlere Temperatur des Restquerschnitts 41
2.6 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen thermischer Querschnittsanalysen 45
3 Versuche zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Rohdichte des Holzes 47
3.1 Ausgangssituation 47
3.2 Versuchsvorbereitung 48
3.2.1 Geometrie und Beschaffenheit der Probekörper 48
3.2.2 Klimatisierung der Probekörper 49
3.3 Versuchsdurchführungen 52
3.4 Bestimmung der Holzfeuchte der Prüfkörper 54
3.5 Bestimmung der Rohdichte der Prüfkörper 55
3.6 Auswertung und Bewertung der Versuchsergebnisse 56
3.7 Fazit und Ausblick 60
4 Materialgesetz und elastomechanische Eigenschaften des Holzes im Brandfall 62
4.1 Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Holzes unter Normaltemperaturen 62
4.1.1 Die Arbeitslinie des Holzes für Zug- und Druckbeanspruchung 62
4.1.2 Die Arbeitslinie des Holzes für Biegebeanspruchung 64
4.2 Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Holzes unter erhöhten Temperaturen 68
4.2.1 Allgemeines 68
4.2.2 Zugfestigkeit von Holz unter Temperaturbeanspruchung 68
4.2.3 Druckfestigkeit von Holz unter Temperaturbeanspruchung 74
4.2.4 Biegezug- und Biegedruckfestigkeit von Holz unter Temperaturbeanspruchung 79
4.2.5 Steifigkeit von Holz unter Temperaturbeanspruchung 81
4.2.5.1 Elastizitätsmodul bei Zugbeanspruchung parallel zur Faser 83
4.2.5.2 Elastizitätsmodul bei Druckbeanspruchung parallel zur Faser 87
4.2.5.3 Elastizitätsmodul bei Biegezug- und Biegedruckbeanspruchung parallel zur Faser 89
4.2.6 Kriechen des Holzes 90
4.2.7 Thermische Dehnung des Holzes 92
4.2.8 Einfluss der zeitlichen Reihenfolge von thermischer und mechanischer Beanspruchung 92
4.2.9 Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Holzes unter erhöhten Temperaturen als Grundlage des FE-Modells 94
5 Numerische Tragfähigkeitsermittlung brandbeanspruchter Holzbauteile 95
5.1 Nichtlineare Strukturanalysen 95
5.1.1 Grundlagen nichtlinearer Strukturanalysen 95
5.1.2 Nichtlineare Lösungsverfahren der Finiten-Elemente-Methode 96
5.2 Voraussetzungen numerischer Tragfähigkeitsermittlungen 98
5.3 Strukturmechanisches Modell 99
5.3.1 Das strukturmechanische 3-D Volumenelement SOLID 185 100
5.3.2 Definition des Materialgesetzes 101
5.4 Innere Schnittlasten und Schwerpunktslage des Querschnitts 101
5.5 Die Traglastiteration 102
5.5.1 Grundgedanken und Vorgehensweise 102
5.5.2 Berücksichtigung von Stabilitätsbetrachtungen 102
5.5.3 Algorithmen zur Traglastermittlung 106
5.5.3.1 Lösungsalgorithmen bei Druckbeanspruchung des Querschnitts 106
5.5.3.2 Lösungsalgorithmen bei

Produktdetails

• Autoren: Tim Göckel, Mandey Peter, C. Scheer
• Verlag: Fraunhofer IRB Verlag
• Sprache: Deutsch
• Produktform: Taschenbuch
• Erschienen: 01.01.2003
• EAN: 9783816765240
• ISBN: 978-3-8167-6524-0
• Seiten: 195
• Illustration: 111 Abb., 35 Tab.
• Serie: Bauforschung
• Thema: Naturwissenschaften, Medizin, Informatik, Technik > Technik > Sonstiges