title: Modelling the Material Behaviour of Concrete with Polypropylene Fibres under Tunnel Fire and its Influence on the Structural Analysis
Creators: name: Pouran, Omid
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2019

description: Behaviour of cut-and-cover tunnels exposed to fire can be analysed based on advanced calculation method according to EN1992-1-2 by using a realistic structural model that takes account of mechanical and thermally-induced-indirect effects acting on the structure simultaneously. In addition, EN 1992-1-2 proposes an implicit constitutive stress-strain model for concrete at elevated temperatures. This model is recommended to be used for the concrete structures under standard fire for the heating rates between 2 and 50 K/min. It is based on the mechanical and thermal strains evaluated from small-scale concrete specimens under low heating rates using steady-state and transient tests. The EN 1992-1-2’s material model is implemented in different structural finite element software packages and used to perform nonlinear (physical) structural analysis for various structures exposed to fire. Considering the cut-and-cover tunnels, in Germany, ZTV-ING fire exposure curve is adopted which has a much higher temperature-increase rate compared to standard fire curve in fire growth stage and reaches the maximum value of 1200°C in only five minutes. In addition, to decrease the risk of spalling, Polypropylene-fibres (PP-fibres) are often added to the concrete mixtures for cut-and-cover tunnels. These may result in different global structural responses in the event of tunnel fire. In this work, different aspects of fire design (advanced calculation method) of cut-and-cover tunnels exposed to fire are investigated.<br> A formula is proposed to evaluate temperatures in different layers of lining of a cut-and-cover tunnel’s cross-section for the affected region as a function of fire exposure curve, width normal to the heat transfer direction and thickness of cross-section. This can be implemented to evaluate temperature without performing thermal analysis and to calculate temperatures in the position of reinforcement for the practical use. Stress analyses for a cylinder specimen under different heating rates carried out in FE software package SOFiSTiK using a volume model and a plate-layered model. This is performed to investigate the so-called structural effects that might arise in a cylinder specimen under low compressive load and high heating rate in transient tests. To investigate, the influence of addition of PP-fibres in the concrete mixture on the thermo-mechanical behaviour of concrete, 214 cylinder specimens were tested using steady-state and transient tests. Two mixes used having 0 and 2 kg/m3 PP-fibres while the other constituents being identical. The hardened concrete should meet the requirements of 1 to 2-year-old concrete in the practice. Comparisons are made in terms of thermo-mechanical behaviour of these two at elevated temperatures for the purified strain results based on three proposed calibration methods. Based on the test results of cylinders, an implicit constitutive material model is proposed for concrete having PP-fibres in its mixture, which is a modified form of EN 1992-1-2’s material model. Further, nonlinear (physical) thermo-mechanical analyses of cut-and-cover tunnel structure exposed to ZTV-ING fire exposure performed in SOFiSTiK. Comments are made on the extent to which the bending structural response of the lining of cut-and-
description: Das Verhalten von Tunneln offener Bauweise, die einem Brand ausgesetzt sind, kann auf Grundlage der allgemeinen Rechenverfahren nach der EN1992-1-2 unter Verwendung eines realistischen Tragwerksmodells analysiert werden. Dieses Modell berücksichtigt mechanische und thermisch-induzierte, indirekte Effekte, die gleichzeitig auf die Tragstruktur wirken. Darüber hinaus verweist die EN 1992-1-2 auf ein implizites konstitutives Spannungs-Dehnungsmodell für Beton bei erhöhten Temperaturen. Dieses Modell wird für die Betonkonstruktionen unter der Einheits-Temperaturzeitkurve für die Heizraten zwischen 2 und 50 K/min empfohlen. Es basiert auf den mechanischen und thermischen Dehnungen, die aus kleinen Betonproben bei niedrigen Erwärmungsraten mit stationären und instationären Versuchen ermittelt wurden. Das Materialmodell der EN 1992-1-2 ist in verschiedenen strukturellen Finite-Elemente-Softwarepaketen implementiert und dient zur Durchführung nichtlinearer (physikalischer) Strukturanalysen für verschiedene brandgefährdete Bauwerke. Für Tunnel mit offener Bauweise wird in Deutschland die ZTV-ING-Brandbelastungskurve für den Brandfall angenommen. Diese Kurve nach der ZTV-ING weist eine wesentlich höhere Temperaturanstiegsrate auf als die Einheits-Temperaturzeitkurve und erreicht die Maximaltemperatur im Brandfall von 1200°C bereits binnen fünf Minuten. Um die Gefahr von Abplatzungen während des Brandes zu verringern, werden den Betonmischungen für Tunnel in offener Bauweise häufig Polypropylenfasern (PP-Fasern) zugesetzt. Diese können im Falle eines Tunnelbrandes zu unterschiedlichen globalen Reaktionen der Tragstruktur führen. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Heißbemessung (allgemeine Rechenverfahren) von Tunneln in offener Bauweise, die einem Brand ausgesetzt sind, untersucht. Es wird im Zuge dieser Arbeit eine Formel entwickelt, um die Temperaturen in den verschiedenen Schichten innerhalb des brandbeanspruchten Querschnitts eines Tunnels in offener Bauweise zu bewerten. Die Temperaturen innerhalb des beeinflussten Bereichs lassen sich in Abhängigkeit von der Brandexpositionskurve, der Breite senkrecht zur Wärmeübertragungsrichtung und der Dicke des Querschnitts ermitteln. Dies kann angewandt werden, um die auftretenden Temperaturen in der Bewehrungslage für den praktischen Einsatz zu berechnen, ohne detaillierte thermische Analysen durchführen zu müssen. Es werden Spannungsanalysen für eine Zylinderprobe unter verschiedenen Aufheizraten durchgeführt, die im FE-Softwarepaket SOFiSTiK unter Verwendung eines Volumenmodells und eines Plattenschichtmodells simuliert werden. Damit werden die sogenannten strukturellen Effekte untersucht, die bei einer Zylinderprobe unter geringer Druckbelastung und hoher Aufheizrate unter instationären Temperaturbedingungen auftreten können. Um den Einfluss der zugegebenen PP-Fasern in der Betonmischung hinsichtlich des thermomechanischen Verhaltens des Betons zu untersuchen, wurden 214 Zylinderproben unter stationären und instationären Temperaturbedingungen untersucht. Es werden zwei unterschiedliche Betonrezepturen erstellt. Eine Rezeptur enthält keine PP-Fasern, während der zweiten Rezeptur 2 kg/m³ PP-Fasern hinzugefügt werden. Alle weiteren Bestandteile der beiden Rezepturen sind identisch. Die Eigenschaften des Festbetons erfüllen dabei die Anforderungen an einen ein bis zwei Jahre alten Beton in der Baupraxis. Die Probekörper der beiden Rezepturen werden in Bezug auf ihr thermomechanisches Verhalten bei erhöhten Temperaturen miteinander verglichen. Die Bereinigung der Dehnungsergebnisse erfolgt auf der Grundlage von drei entwickelten Kalibriermethoden. Zusammenfassung XIII Basierend auf den Testergebnissen der untersuchten Zylinder wird ein implizites konstitutives Materialmodell für Beton mit PP-Fasern erarbeitet, welches eine modifizierte Form des Materialmodells der EN 1992-1-2 darstellt. Darüber hinaus wurden in SOFiSTiK physikalische nichtlineare thermomechanische Analysen von Tunnelbauwerken, die einer Brandeinwirkung der ZTV-ING ausgesetzt sind, durchgeführt. Es wird untersucht, inwieweit die Beanspruchungen auf Tunnelbauwerke in offener Bauweise durch Veränderungen im konstitutiven Materialmodell bei erhöhten Temperaturen beeinflusst werden können.