Purpose This paper aims to present numerical investigations regarding the heating behaviour of steel elements protected by an intumescent coating with an adjacent trapezoidal steel sheet. Design/methodology/approach For this purpose, a three-dimensional numerical model of a coated I-section profile is developed in Abaqus taking into account the restrained foaming process of the intumescent coating due to the adjacent member explicitly. Findings After the validation of the numerical model against own fire tests, the steel temperatures of a coated I-section profile with and without an adjacent trapezoidal steel sheet, resulting from fire exposure according to ISO-834, are compared to demonstrate the influence of the steel sheet in detail. Originality/value The main objective is to evaluate the influence of an unprotected trapezoidal steel sheet on the temperatures of coated I-section profiles.
1 Einleitung Der moderne Geschossbau nimmt aufgrund seiner wirtschaftlichen Bedeutung für die Baubranche, seiner vielfältigen Auswirkungen auf die Umwelt sowie seiner sozialen Relevanz eine Schlüsselposition bei der Umsetzung von Nachhaltigkeitsaspekten im Bau-Der moderne Hoch-und Geschossbau benötigt ganzheitlich auf Nachhaltigkeit ausgerich tete Gebäudekonzepte, die ein hohes Maß an Nutzungsflexibilität und Multifunktionalität bieten und hierdurch die Bauwerkslebensdauer und -wirtschaftlichkeit erhöhen [1]. Hierbei weisen Deckenkonstruktionen ein besonderes Verbesserungspotential auf. Multi funktionale und integrierte Deckensysteme können einen entscheidenden Beitrag zur Schaffung nachhaltiger Gebäudestrukturen leisten. Im vorliegenden Artikel wird ein neuartiges, multifunktionales Deckensystem in Stahl-Beton-Verbundbauweise (InaDeck) vorgestellt, welches die vollständige Unterbringung aller gebäudetechnischen Bestandteile innerhalb eines Deckenzwischenraumes ermöglicht. Die Deckenelemente bestehen aus Verbundträgern mit Einzelflansch und vorgespanntem Betongurt sowie einer Verbunddübelleiste als Verbundmittel (filigrane Verbundträger). Zur flexiblen Leitungsführung sind große Stegöffnungen im Verbundträger angeordnet. Durch den vorgespannten Betongurt an der Querschnittsunterseite der Deckenelemente kombiniert das Deckensystem gute bauphysikalische Eigenschaften und Brandschutzmerkmale mit großen Spannweiten für eine hohe Flexibilität und eine variable Grundrissgestaltung. Der Artikel verdeutlicht die vielschichtigen Wechselwirkungen zwischen den Fachdisziplinen Gebäudetechnik, Bauphysik, Brandschutz sowie Tragwerksplanung. Multifunctional composite slab system with integrated building services -Studies onthe load bearing and fire behavior, thermal efficiency and sustainability of a novel composite floor system. Modern multi-story buildings require holistic and sustainable building conceptions that provide a high flexibility of use and multi-functionality and thereby increase the building's service life and economy [1]. Special potential for improvement in this case provides the research area of floor-slab structures. Multifunctional and integrated floor-slab-systems can make a significant contribution to the creation of sustainable building structures. In this paper, a novel multi-functional composite floor system (InaDeck) is presented which incorporates all building services and installations into the structural element by means of an integrated installation floor. The floor-slab elements are made of prestressed composite beams with single flange and continuous shear connectors (filigree composite beams) which have large web openings for the routing of integrated building services. Due to a pre-stressed concrete chord at the bottom side of the cross section, the slab system features improved physical and fire protection characteristics and provides wide spans for increased flexibility at the same time. The article highlights the complex interactions between the disciplines of building services, building phy...
Purpose This paper aims to deal with the experimental and numerical investigations of the fire protection performance of a waterborne intumescent coating (IC) on structural steel in case of natural fires. Based on own small-scale laboratory tests, an advanced numerical model is developed to simulate the fire protection performance of the investigated coating in case of arbitrary fire scenarios. The insulation efficiency of the coating is described within the model by temperature and heating rate-dependent material properties, such as expansion factors, thermal conductivity and heat capacity. The results of the numerical model are compared to own large-scale fire tests of an unloaded I-section beam and column. Design/methodology/approach As natural fires can show arbitrary regimes, the material properties of the waterborne IC are investigated for various heating rates. Based on these investigations, a material model for the IC is implemented in the finite element program ABAQUS. With the help of user subroutines, the material properties of the coating are introduced for both the heating and cooling phase of natural fires, allowing for two- and three-dimensional thermomechanical analyses of coated steel elements. Findings The results of the performed small-scale laboratory tests show a heating rate-dependent behavior of the investigated coating. The mass loss as well as the expansion of the coating change with the heating rate. Moreover, the material properties obtained on small scale are valid for large scale. Therefore, a material model could be developed that is suitable to reproduce the results of the large-scale fire tests. Additionally, with the help of the numerical model, a dimensioning approach for the dry film thickness (DFT) of the investigated coating is derived for arbitrary natural fires. Research limitations/implications The material properties presented in this paper are only valid for the investigated waterborne IC and the parameter area that was chosen. However, the developed modeling approach for the fire protection performance of ICs is general and can be applied for every coating that is part of the intumescent product family. Originality/value Until now, only few research works have been carried out on the fire protection performance of ICs under non-standard fire exposure. This paper deals extensively with the material properties and the material modeling of a waterborne IC exposed to natural fires. Especially, the laboratory examinations and the numerical simulations are unique and allow for new evaluation possibilities of ICs.
Zum Schutz von Stahlbauteilen vor einer Brandeinwirkung können Brandschutzmaterialien in Form von Brandschutzplatten, Brandschutzputzen oder reaktiven Brandschutzsystemen zur Anwendung kommen. Ihre thermische Schutzwirkung führt zu einer verzögerten Erwärmung des zu schützenden Stahlbauteils und gewährleistet dadurch einen ausreichend langen Feuerwiderstand. Die Brandschutzmaterialien werden i. d. R. anhand von Brandprüfungen nach der Einheits‐Temperaturzeitkurve (ETK) ausgelegt und entsprechende Verwendbarkeitsnachweise erstellt. Eine detaillierte Kenntnis der thermischen Materialeigenschaften der Brandschutzmaterialien ist hierfür nicht erforderlich. Die bauaufsichtlich eingeführten Eurocodes ermöglichen neben der Standardbemessung nach der ETK grundsätzlich auch eine leistungsbasierte Bemessung für ein natürliches Brandszenario. Im Gegensatz zur ETK, die von einem schnellen und kontinuierlichen Temperaturanstieg ausgeht, wird bei einem Naturbrandszenario ein realistisches Modell eines Brands (Entwicklungsphase, Vollbrand und Abkühlphase) abgebildet, dessen Verlauf in Abhängigkeit von den vorhandenen Brandlasten, den Ventilationsverhältnissen und der Brandraumgeometrie individuell ist. Die Auslegung der Schutzmaßnahmen für natürliche Brände kann daher nicht auf Grundlage der Standard‐Brandprüfungen erfolgen. Für die leistungsbasierte Bemessung brandbeanspruchter geschützter Stahlbauteile ist die temperaturabhängige Formulierung der thermischen Materialkennwerte sowohl für einen Temperaturanstieg als auch eine anschließende Abnahme der Brandbeanspruchung unabdingbar. Bis dato sind die thermischen Materialkennwerte von Brandschutzbekleidungen insbesondere für die Abkühlphase lückenhaft. In diesem Beitrag werden daher experimentelle Untersuchungen der thermischen Materialkennwerte von Brandschutzplatten, ‐putzen und reaktiven Brandschutzsystemen für die Aufheiz‐ und Abkühlphase vorgestellt.
Dämmschichtbildende Brandschutzsysteme ermöglichen es, die Attraktivität filigraner Stahltragwerke bei gleichzeitiger Gewährleistung der Feuerwiderstandsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Das Hochtemperaturverhalten dieser Brandschutzsysteme ist bis heute jedoch nicht im Detail bekannt. Im vorliegenden Artikel werden daher numerische Simulationen unter expliziter Berücksichtigung des Aufschäumvorgangs dämmschichtbildender Brandschutzsysteme vorgestellt, um das Erwärmungsverhalten im Detail aufzuzeigen und somit einen Beitrag zum vertieften Verständnis hinsichtlich der thermischen Schutzwirkung dieser Brandschutzsysteme zu leisten. Dabei werden beschichtete Stahlplatten bei einer Ofentemperatur gemäß der Einheits‐Temperaturzeitkurve untersucht. Eine Validierung des entwickelten numerischen Modells erfolgt anhand eigener Versuchsergebnisse. Somit wird erstmals die Möglichkeit eröffnet, das Hochtemperaturverhalten beschichteter Stahlbauteile realitätsnah zu simulieren und die Temperaturentwicklung im Stahl zu prognostizieren. Dies schafft insbesondere bei individuellen Fragestellungen im Brandschutzingenieurwesen hinsichtlich der Temperaturentwicklung in beschichteten Stahlbauteilen innovative Bewertungsmöglichkeiten. Heating behaviour of intumescent coatings in steel constructions – Advanced numerical simulations taking the foaming process into account. Intumescent coatings enable to sustain the attractiveness of filigree steel constructions and to ensure fire resistance at the same time. Since the high temperature behaviour of these fire protection systems is not known in detail yet, advanced numerical simulations by taking the foaming process of intumescent coatings into account are introduced in the present article. Hence, the heating behaviour is pointed out in detail to get a deeper understanding concerning the fire protection behaviour of intumescent coatings. For that reason, coated steel plates exposed to standard fire (ISO‐834) are investigated. A validation of the developed numerical model is performed by comparing the calculated temperatures with own test results. For the first time, the opportunity is enabled to simulate and predict the high temperature behaviour of coated steel elements close to reality. This offers innovative possibilities to evaluate the steel temperature of construction elements individually in fire protection engineering.
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