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0032-D-DBV-AK Software-Fire safety verification of reinforced concrete cantilever columns in accordance with DIN EN 1992-1-2, Part 1: Temperature distribution within the column cross-section

An example by the working group DBV-Arbeitskreis Software für Baustatik

The example was created by

Ria Tautz, Dr.-Ing. Aleksandra Serafinska, Dipl. Ing. (FH) Alexander Meierhofer, Georg Drexel, David Krybus

and published on 31.08.2021 on

published. You can find it at https://evadat.com/en/bsp/0032/.

It was qualified on 09.08.2022.

Developed by Ria Tautz, Dr.-Ing. Aleksandra Serafinska, Dipl. Ing. (FH) Alexander Meierhofer, Georg Drexel, David Krybus

Published on: 31.08.2021 | Qualified on: 09.08.2022

D0Classification

ClassD · Standards-based verification example
Structural system typeSpecial component
MechanicsStatics
Material lawThermal behaviour
MaterialConcrete/reinforced concrete/prestressed concrete
Verification formatFire verification
StandardDIN EN 1992

D1Problem description

This section was machine-translated by DeepL.

The verification example for the fire safety assessment corresponds in principle to Example 10 in [1, S. 10-18 ff.]. For the in-situ concrete edge column of a closed hall (Fig. D1-1) Proof of fire safety measures must be provided:

(a) in accordance with the general calculation method [2] Section 4.3, or
(b) in accordance with the simplified calculation method set out in [2] Section 4.2 in conjunction with the zoning method described in Annex B.2.

It is to be determined which fire resistance class the cantilever support falls into in accordance with the two standards set out in [2] can be classified as an acceptable method, and whether the two acceptable calculation methods yield comparable results. In this context, the reinforcement is specified on the basis of the cold design.

D1.1Task 1

In the first step, the temperature distribution within the concrete cross-section and the temperature in the reinforcing bars are determined using the unit temperature-firing curve (ETK) (thermal analysis).

D1.2Task: Part 2

In the second step, a specific example is used to demonstrate the load-bearing capacity of the reinforced concrete column in the event of a fire (an exceptional load condition during a fire)
examined, see .

D1.3Theoretical basis for the calculations in Part 1

To calculate the temperature distribution across the cross-section, the principles for determining the temperature effect are taken from [3] and [4] set out. The information on the temperature-dependent properties of building materials for reinforced concrete structures is [2] and [5] taken from.

The mechanical analysis is carried out in Example 0039. The temperature distribution calculated here in the cross-section serves as the basis for this.

Fig. D1-1: Cross-section and structural system

The study examines the edge column subjected to fire exposure on three sides; that is, the fire originates inside the hall and the outer face of the column is protected by a concrete slab façade without windows situated in front of it. The unburned edge, situated on the safe side, is assumed to be adiabatic; in other words, heat exchange with the concrete slab façade in front of it is neglected.

Note on the centre-to-centre distance in the cross-section
The influence of the centre-to-centre distance (here a = 38 mm) on the temperature of the reinforcement is significant, so this should not be rounded up to 40 mm to simplify the problem. The slightly greater distance from the edge of the cross-section would result in a lower temperature in the reinforcement, which is on the conservative side for the mechanical analysis.

D1.4Determination of the temperature distribution across the cross-section

In Germany, two different methods are used to determine temperature distribution.

Firstly, to determine the temperature distribution within the concrete cross-section in the event of a fire, a thermal analysis may be carried out in accordance with the general method based on the standard temperature fire curve (ETK) as set out in [3] be carried out. Alternatively, the temperature distribution may be taken from the graphs in [2] Appendix A can be read directly. These graphs are also based on a calculation using the general calculation method.

As both methods are used in practice in Germany, this example examines both options and outlines the differences that can be expected.

The temperature of the reinforcing bars is determined by their position within the concrete cross-section (i.e. the temperature at the centre of the reinforcing bar) based on the concrete temperature measured at that point.

D1.4.1Temperature distribution in accordance with DIN EN 1991-1-2/NA:2010-12, Annex CC

The calculation parameters for the thermal analysis are as shown in the example [4] CC.4.10 Example 10 — Reinforced concrete cantilever support.

The following parameters are set here:
- Bulk density of concrete ρ = 2400 kg/m³
- Moisture content of concrete u = 3.0 % by weight
- Upper limit of thermal conductivity λ_c
- Emission factor for concrete surfaces = 0.7
- Heat transfer coefficient α_c = 25 W/K/m²

D1.4.2Temperature distribution in accordance with DIN EN 1992-1-2:2010-12, Annex A

Alternatively, a second option is to use a temperature distribution across the cross-section according to [2] Appendix A examines.

The following parameters are set here:
- Bulk density of concrete ρ = 2300 kg/m³
- Moisture content of concrete u = 1.5% by weight
- Lower limit of thermal conductivity λ_c
- Emission factor for concrete surfaces = 0.7
- Heat transfer coefficient α_c= 25 W/K/m²

Das Verifizierungsbeispiel für den brandschutztechnischen Nachweis entspricht prinzipiell dem Beispiel 10 in [1, S. 10-18 ff.]. Für die Ortbeton-Randstütze einer geschlossenen Halle (Abb. D1-1) ist der Nachweis für den Brandschutz zu erstellen:

a) nach dem allgemeinen Rechenverfahren [2] Kap. 4.3, bzw.
b) nach dem vereinfachten Rechenverfahren gemäß [2] Kap. 4.2 in Verbindung mit der in Anhang B.2 beschriebenen Zonenmethode.

Es soll überprüft werden, in welche Feuerwiderstandsklasse die Kragstütze nach den beiden in [2] zulässigen Verfahren eingestuft werden kann und ob die beiden zulässigen Berechnungsverfahren zu vergleichbaren Berechnungsergebnissen führen. Hierbei wird die Bewehrung infolge der Kaltbemessung vorgegeben.

D1.1Aufgabenstellung Teil 1

Im ersten Schritt wird unter Einheitstemperaturbrandkurve (ETK) die Temperaturverteilung im Betonquerschnitt sowie die Temperatur in den Bewehrungseisen ermittelt (Thermische Analyse).

D1.2Aufgabenstellung Teil 2

Im zweiten Schritt wird in einem eigenen Beispiel die Tragfähigkeit der Stahlbetonstütze im Brandfalle (außergewöhnliche Lastsituation bei Brand)
untersucht, vgl. .

D1.3Theoretische Grundlagen der Berechnung für Teil 1

Für die Berechnung der Temperaturverteilung im Querschnitt werden die Grundlagen zur Ermittlung der Temperatureinwirkung aus [3] und [4] angesetzt. Die Angaben über die temperaturabhängigen Eigenschaften der Baustoffe für Stahlbetonbauteile sind [2] und [5] entnommen.

Die mechanische Analyse wird im Beispiel 0039 durchgeführt. Die hier im Querschnitt berechnete Temperaturverteilung dient dabei als Grundlage.

Abb. D1-1: Querschnitt und statisches System

Untersucht wird die Randstütze mit 3-seitiger Brandbeanspruchung, d.h. der Brand entsteht im Halleninnern und die Stützenaußenseite wird durch eine vorgesetzte Betonplattenfassade ohne Fenster geschützt. Der nicht beflammte Rand wird auf der sicheren Seite liegend als adiabatisch angesetzt, das heißt, der Wärmeaustausch mit der vorgesetzten Betonplattenfassade wird vernachlässigt.

Hinweis zum Achsabstand im Querschnitt
Der Einfluss des Achsabstandes (hier a = 38 mm) auf die Temperatur der Bewehrung ist erheblich, sodass dieser nicht zur Vereinfachung der Aufgabenstellung auf 40 mm aufgerundet werden sollte. Der etwas größere Abstand vom Querschnittsrand würde zu einer geringeren Temperatur in der Bewehrung führen, was für die mechanische Analyse auf der unsicheren Seite liegt.

D1.4Ermittlung der Temperaturverteilung im Querschnitt

In Deutschland werden zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Ermittlung der Temperaturverteilung eingesetzt.

Zunächst kann zur Bestimmung der Temperaturverteilung im Betonquerschnitt im Brandfalle eine thermische Analyse nach dem allgemeinen Verfahren unter Einheitstemperaturbrandkurve (ETK) nach [3] durchgeführt werden. Alternativ darf die Temperaturverteilung aus den Grafiken aus [2] Anhang A direkt abgelesen werden. Diesen Grafiken liegt ebenfalls eine Berechnung nach dem allgemeinen Rechenverfahren zugrunde.

Da beide Verfahren in Deutschland in der Praxis zum Einsatz kommen, werden in diesem Beispiel beide Möglichkeiten untersucht und die zu erwartenden Unterschiede vorgestellt.

Die Bewehrungseisen erhalten ihre Temperatur infolge Ihrer Lage im Betonquerschnitt (d.h. die Temperatur in Stabmitte des Bewehrungsstabes) aus der dort ermittelten Betontemperatur.

D1.4.1Temperaturverteilung nach DIN EN 1991-1-2/NA:2010-12 Anhang CC

Die Berechnungs-Parameter für die thermische Analyse sind dem Beispiel [4] CC.4.10 Beispiel 10 — Stahlbeton-Kragstütze entnommen.

Hier werden folgende Parameter angesetzt:
- Rohdichte Beton ρ = 2400 kg/m³
- Feuchtegehalt Beton u = 3.0 Gew.-%
- Oberer Grenzwert der thermischen Leitfähigkeit λ_c
- Emissionsbeiwert für Betonoberfläche = 0.7
- Wärmeübergangkoeffizient α_c = 25 W/K/m²

D1.4.2Temperaturverteilung nach DIN EN 1992-1-2:2010-12 Anhang A

Alternativ wird als zweite Möglichkeit eine Temperaturverteilung im Querschnitt nach [2] Anhang A untersucht.

Hier werden folgende Parameter angesetzt:
- Rohdichte Beton ρ = 2300 kg/m³
- Feuchtegehalt Beton u = 1.5 Gew.-%
- Unterer Grenzwert der thermischen Leitfähigkeit λ_c
- Emissionsbeiwert für Betonoberfläche = 0.7
- Wärmeübergangkoeffizient α_c= 25 W/K/m²

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D5References

[1] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e. V.: Beispiele zur Bemessung nach Eurocode 2. Band 1: Hochbau. Berlin: Ernst & Sohn. 2021. ISBN 978-3-433-03354-8.
[2] DIN Deutsches Institut für Normung e. V.: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall. Beuth-Verlag. 2010.
[3] DIN Deutsches Institut für Normung e. V.: Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen - Brandeinwirkungen auf Tragwerke. Beuth-Verlag. 2010.
[4] DIN Deutsches Institut für Normung e. V.: Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter - Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen - Brandeinwirkungen auf Tragwerke. Beuth-Verlag. 2010.
[5] DIN Deutsches Institut für Normung e. V.: Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter - Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall. Beuth-Verlag. 2010.
[6] SOFiSTiK AG: HYDRA Manual: Grundwasser- und Wärmemodelle. Nürnberg: SOFiSTiK AG, Nuremberg, Germany. 2020.
[7] FRILO Software GmbH: TA: Temperaturanalyse im Querschnitt. Stuttgart: FRILO Software GmbH. 2020.
[8] LGA Landesgewerbeanstalt Bayern: TAMA: Umsetzung der Allgemeinen Verfahren für die Heißbemessung im Stahlbetonbau mit MATLAB R2020a. Nürnberg: LGA Landesgewerbeanstalt Bayern Körperschaft des öffentlichen Rechts. 2020.
[9] RIB Software GmbH: BEST V23.0. Stuttgart: RIB Software GmbH. 2022.
[10] Dlubal Software GmbH: RFEM 5.28.01. Tiefenbach. 2022.

Editors

Ria Tautz SOFiSTiK AG (Garching, Germany)

–

Creator

Ria Tautz SOFiSTiK AG (Garching, Germany)

SOFiSTiK FEA (FEA Servicepack 2020-11) SOFiSTiK AG

Editor 1

Dr.-Ing. Aleksandra Serafinska FRILO Software GmbH (Stuttgart, Germany)

TA Temperaturanalyse im Querschnitt (02/2021) FRILO Software GmbH

Editor 2

Dipl. Ing. (FH) Alexander Meierhofer Dlubal Software GmbH (Tiefenbach, Germany)

RFEM (5.28) Dlubal Software GmbH

Editor 3

Georg Drexel LGA Landesgewerbeanstalt Bayern KdöR (Nürnberg, Germany)

TAMA (Version 06/2021) LGA Landesgewerbeanstalt Bayern

Editor 4

David Krybus RIB Software GmbH (Stuttgart, Germany)

BEST (23.0) RIB Software GmbH

Editor 5

Ria Tautz Creator, Editor 1

SOFiSTiK AG (Garching, Germany)

Software used: SOFiSTiK FEA (FEA Servicepack 2020-11) SOFiSTiK AG

Dr.-Ing. Aleksandra Serafinska Editor 2

FRILO Software GmbH (Stuttgart, Germany)

Software used: TA Temperaturanalyse im Querschnitt (02/2021) FRILO Software GmbH

Dipl. Ing. (FH) Alexander Meierhofer Editor 3

Dlubal Software GmbH (Tiefenbach, Germany)

Software used: RFEM (5.28) Dlubal Software GmbH

Georg Drexel Editor 4

LGA Landesgewerbeanstalt Bayern KdöR (Nürnberg, Germany)

Software used: TAMA (Version 06/2021) LGA Landesgewerbeanstalt Bayern

David Krybus Editor 5

RIB Software GmbH (Stuttgart, Germany)

Software used: BEST (23.0) RIB Software GmbH