Experimentelle und numerische Analyse des thermischen sowie Grundlagen des strukturmechanischen Verhaltens von Holzrahmenwänden bei thermischer instationärer Einwirkung unter Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens

Beschreibung

In dieser vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit werden ein vollständiges thermisches sowie die Grundlagen eines thermisch-strukturmechanischen Versagensmodells einer Holzrahmenwand unter Brandbelastung beschrieben. Mit dem thermischen Modell dieser Veröffentlichung ist es möglich, den Temperaturverlauf im Gefachbereich einer Holzrahmenwand zu bestimmen und damit den Zeitpunkt vorauszusagen, an dem sie ihre schützende Wirkung verliert. Um für eine möglichst große Anzahl von unterschiedlichen Wandaufbauten den genauen Temperaturverlauf vorhersagen zu können, wurde das thermische Materialverhalten von fünf Baumaterialien detailliert untersucht, die zur Herstellung einer Holzrahmenwand üblich sind. Als Beplankungsmaterial wurden Gipskartonbau- und Gipskartonfeuerschutzplatten sowie OSB-Platten und als Dämmmaterial Stein- und Glaswolle gewählt. Unter Verwendung der oben genannten Materialien lässt sich jeder beliebige Wandaufbau thermisch auf seine Versagenszeit überprüfen. Die Reihenfolge, die Dicke, die Rohdichte sowie die Feuchte der Materialien kann frei gewählt werden. Möglich ist auch ein Wandaufbau ohne Dämmmaterial oder nur mit einer Teildämmung. Um den Realitätsbezug zwischen dem theoretischen Modell dieser Arbeit und einem Normbrand herzustellen, wurden Brandversuche zur Bestimmung von Temperaturverläufen durchgeführt. Es wurden zehn einzelne Materialien und vier ganze Wandaufbauten getestet. In den Versuchen zur Dissertation wurde zu den üblichen Außentemperaturen auch der Temperaturverlauf zwischen den einzelnen Schichten sowie in der Mitte der Dämmung mit Hilfe von Thermoelementen gemessen. Die Ergebnisse der Temperaturmessungen dieser Arbeit werden sehr ausführlich mit allen erforderlichen Materialkennwerten dokumentiert und können in weiteren Forschungsarbeiten für Kalibrierungsrechnungen verwandt werden. Bei den Brandversuchen wurde die Abbrandgeschwindigkeit der Wandstiele durch eine gestaffelte Temperaturmessung ermittelt. Zur Überprüfung der Voraussagegenauigkeit des Modells dieser wissenschaftlichen Ausarbeitung bei der Versagenszeit von Holzrahmenwänden wurde das thermische Modell dieser Arbeit in das FEM-Programm ANSYS implementiert. Im Modell der Arbeit wird der schichtenweise Abbrand sowie die Rissbildung in der Holzkohleschicht von Holzwerkstoffplatten durch den Ausfall von FEM-Elementen simuliert. Der Bildungsbeginn und die Tiefe der Risse ergeben sich nach dem thermischen Rissmodell. In diesem Modell wird die Temperatur ermittelt, bei der die thermisch bedingten Spannungen größer werden als die vom Material aufnehmbare temperaturabhängige Spannung. Der Einfluss der Risse und Fugen auf die Temperaturverteilung in einer Holzrahmenwand wurden in dieser Arbeit ebenfalls untersucht.

Autor*in

Wilhelm Meyn

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Brandschutz Brandversuch FEM – Modell Holzrahmenwand fire protection thermisches Rissmodell timber frame wall

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