Steel-fibre-reinforced concrete (SFRC) in fire: Normative and pre-normative requirements and code-type regulations

Dehn, Frank; Herrmann, Annemarie

doi:10.35789/fib.bull.0079.ch07

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“…In common ultimate limit state (ULS) design [3], the necessary rebar reinforcement ratios can be significantly reduced if steel fibres are also included as a component of the reinforcement scheme [4,5]. However, in the case of fire resistant design, the postcracking tensile strength of SFRC is not taken into account by any current or pre-normative standard [6]. It is conservatively assumed that only rebar carries tensile loads at elevated temperatures.…”

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confidence: 99%

A thermo-mechanical model for SFRC beams or slabs at elevated temperatures

2018

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The bearing capacity of steel fibre reinforced concrete (SFRC) at elevated temperatures is the subject of significant ongoing research, as the effect of steel fibres on concrete performance at higher temperatures is poorly understood. On one hand, steel fibres increase the average thermal conductivity of the concrete cross section and lead to greater heating within a concrete structural member during fire exposure, and on the other, fibres reduce crack widths and prevent excessive spalling. The former effect negatively impacts SFRC performance at high temperature, whereas the latter effect protects the inner structure from direct fire exposure. Additionally, the decreasing strength of steel at higher temperatures can result in the sudden failure of fibre or traditionally reinforced concrete. Within this contribution, a coupled thermo-mechanical model is developed in order to investigate the influence of steel fibres on the thermal loading of concrete. The effect of fibres on heat transmission within concrete, the length of time for which concrete can sustain thermal loads, and on the bending stiffness of reinforced concrete beams or slabs is investigated. The heat transfer process is modelled using Fourier's partial differential equation of transient heat conduction. A modified plastic hinge model and moment-curvature relations are used to describe stress-dependent deformations. Thus, two alternative approaches are used to adequately track the localisation of damage for single cracks and for distributed and multiple cracking. Thermo-mechanical coupling is achieved by means of temperaturedependent stress-strain relations. These are derived for SFRC based on experimental data from the literature. Experiments are performed in which concrete slabs reinforced with variable amounts of fibres and rebar are exposed to combined thermal and mechanical loadings. The results of these experiments are used to validate the proposed model. The measured and predicted results agree well and indicate that steel fibres have a positive effect on the fire resistance of structures, assuming additional rebar is provided to prevent crack localisation. Additionally, it is shown that temperature fields within concrete remain almost unaffected by variations in fibre content.

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A thermo-mechanical model for SFRC beams or slabs at elevated temperatures

2018

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“…Aktuell ist der Nachweis des Feuerwiderstands für Bauteile aus stahlfaserbewehrtem Stahlbeton anhand von DIN EN 1992‐1‐2:2010 – und zugehörigem nationalen Anhang (NAD) – in Verbindung mit der DAfStb‐Richt linie „Stahlfaserbeton” zu führen. Ein mögliches In‐Ansatzbringen der Stahlfaserwirkung im Brandfall ist weder national noch international geregelt. Nach kann deshalb z.…”

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Thermische Leitfähigkeit von Stahlfaserbeton – eine theoretische Betrachtung

Fessel

Šimon

Guder

et al. 2016

Beton und Stahlbetonbau

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EinleitungAktuell ist der Nachweis des Feuerwiderstands für Bauteile aus stahlfaserbewehrtem Stahlbeton anhand von DIN EN 1992-1-2:2010 [1] -und zugehörigem nationalen Anhang (NAD) -in Verbindung mit der DAfStb-Richtlinie "Stahlfaserbeton" [2] zu führen. Ein mögliches In-Ansatzbringen der Stahlfaserwirkung im Brandfall ist weder national [3] noch international [4] geregelt. Nach [5] kann deshalb z. B. in Betracht gezogen werden, den Nachweis des Feuerwiderstands am reinen Stahlbetonquerschnitt zu führen und somit eine evtl. Wirkung der Stahlfasern zu vernachlässigen, oder aber die Faserwirkung ist anhand von Brandversuchen an entsprechenden Bauteilen zu bestätigen; bspw. im Rahmen eines bauaufsichtlichen Verwendbarkeitsnachweises. Begründet werden kann diese Annahme mit der noch mangelnden Erfahrung sowie der unzureichenden Kenntnis der thermischen Eigenschaften von Stahlfaserbeton bei erhöhten Temperaturen. In diesem Zusammenhang ist auch der mögliche Einfluss der Stahlfasern auf die thermische Leitfähigkeit λ c des Betons von Bedeutung und somit die Frage zu stellen, in-wieweit die in DIN EN 1992-1-2:2010 [1] angegebene Unter-und Obergrenze (vgl. Bild 1) auf Stahlfaserbetone angewendet werden kann. Anhand der nachfolgend aufgeführten Literaturauswertung und eigener theoretischer Betrachtungen soll der Frage nachgegangen werden, ob die in Bild 1 dargestellte untere und obere Grenze für λ c auch bei Stahlfaserbetonen ansetzbar ist. Für die Bemessung von Stahlbeton-und Spannbetontragwerken im Brandfall ist die Kenntnis der thermischen Leitfähigkeit λ c des Betons eine der wesentlichen Eingangsgrößen. Im Fall der Zugabe von Stahlfasern zum Beton gibt es bislang widersprüchliche Aussagen, inwieweit sich diese auf die thermische Leitfähigkeit und somit auf den Feuerwiderstand auswirkt. Vor diesem Hintergrund wurden experimentell ermittelte und in der Literatur dokumentierte Untersuchungsergebnisse ausgewertet und systematisch durch eigene theoretische Betrachtungen sowie anhand eines computergestützten Evaluationsverfahrens ergänzt. Unter der Annahme der Gültigkeit der in DIN EN 1992-1-2:2010 angegebenen temperaturabhängigen Unter-und Obergrenze für die thermische Leitfähigkeit, auf der Grundlage theoretischer Betrachtungen zum Wärmewiderstand von Beton sowie anhand von Vergleichsrechnungen mittels eines numerischen Modells konnte gezeigt werden, dass sich für in der Praxis übliche Stahlfasergehalte von bis zu 1 Vol.-% eine vernachlässigbare Änderung der thermischen Leitfähigkeit gegenüber normal-und hochfesten Betonen ohne Stahlfasern ergibt. Für andere Betonarten, die sich insbesondere hinsichtlich Betonrohdichte, Art, Größe und Anordnung von Poren sowie bzgl. des physikalischen und chemischen Wasserbindevermögens von normal-und hochfestem Beton unterscheiden, sollten jedoch gesonderte Betrachtungen angestellt werden. Thermal conductivity of steel fibre reinforced -a theoretical viewWith respect to fire design of reinforced and prestressed concrete structures the thermal conductivity λ c is one of the important inp...

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Steel-fibre-reinforced concrete (SFRC) in fire: Normative and pre-normative requirements and code-type regulations

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Thermische Leitfähigkeit von Stahlfaserbeton – eine theoretische Betrachtung

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