25208 - POHSSTFirE – Werkstoffverhalten höherfester vergüteter und thermomechanisch gewalzter Baustähle

Weiter- und Wiederverwendung von Stahlbauteilen nach Brandereignissen

Ressourceneffiziente Werkstoffe und die Wiederverwendung von Bauteilen sind wichtige Bausteine für nachhaltigeres Bauen. Hochfeste Baustähle bieten dabei durch ihre hohe Leistungsfähigkeit besondere Potenziale. Gleichzeitig gewinnt die Frage an Bedeutung, unter welchen Voraussetzungen bereits eingesetzte Stahlbauteile weiter- oder wiederverwendet werden können.

Eine besondere Herausforderung stellen Bauteile dar, die einem Brandereignis ausgesetzt waren. Für ihre zuverlässige Bewertung sind neben den verbleibenden Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften insbesondere Kenntnisse über die Zähigkeit des Werkstoffs nach einer Hochtemperaturbeanspruchung erforderlich. Gerade bei höher- und höchstfesten Baustählen fehlen hierzu bislang wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse und geeignete Bemessungsmodelle.

Zugrunde liegende Fragestellung

Das Forschungsvorhaben POHSSTFirE untersucht eine für die Weiter- und Wiederverwendung von Stahlbauteilen wesentliche Fragestellung: Wie verändern sich die mechanischen Eigenschaften sowie die Zähigkeit höher- und höchstfester Baustähle nach einer Hochtemperaturbeanspruchung und wie lässt sich die verbleibende Sprödbruchsicherheit zuverlässig bewerten?

Zielsetzung

Das Forschungsvorhaben POHSSTFirE beabsichtigt wissenschaftliche Erkenntnisse zum Werkstoffverhalten höherfester vergüteter und thermomechanisch gewalzter Baustähle einschließlich der Auswirkungen verschiedener Kühlmittel auf residuale Zähigkeiten und die Sprödbruchgefährdung nach Hochtemperaturbeanspruchung mithilfe gezielter experimenteller Untersuchungen an Werkstoffproben zu erarbeiten und diese Erkenntnisse in unmittelbar anwendbare Ingenieurmodelle und Vorschläge für die Normendiskussion zu überführen.

Vorgehen

Dazu wird zunächst die im Rahmen der Antragstellung erstellte Datenbasis mit Forschungsergebnissen zum struktur- und bruchmechanischen Verhalten von normal- und höherfesten Baustählen auf Vollständigkeit überprüft, strukturiert ausgewertet und für die Untersuchungsparameter des Projekts gezielt aufbereitet. Anschließend werden experimentelle Untersuchungen zur Bestätigung der Arbeitshypothesen und Beantwortung der Forschungsfragen durchgeführt. Hierzu sind Zug- und Kerbschlagbiegeversuche nach Temperatureinwirkung auf Makroskale und begleitende Mikrostrukturanalysen beabsichtigt. Es werden jeweils ein höherfester Baustahl der Güten S460 und S690 sowie ein höchstfester Baustahl der Güte S960 sowohl in vergüteter als auch in thermomechanisch gewalzter Ausführung untersucht. Für einen Vergleich zu normalfestem Baustahl werden zusätzlich Referenzversuche an S355J2+N durchgeführt. Auf der Grundlage der Datenbasis mit Fremduntersuchungen sowie den eigenen Versuchsergebnissen werden daraufhin Modelle für das residuale strukturmechanische Werkstoffverhalten höher- und höchstfester Baustähle und die Bewertung der Sprödbruchgefährdung nach Brandeinwirkung entwickelt. Abschließend erfolgt die Aufbereitung der Ergebnisse zur Umsetzung in technischen Regeln und Implementierung in Normen.

Mehrwert

Die projektbegleitende Zusammenarbeit der Forschungsstelle mit den in der Planung, Zulieferung, Herstellung, Montage und Rückbau von Stahlbauten mit Brandschutzanforderungen beteiligten Stellen sichert bereits während der Projektlaufzeit durch die Nähe zum Ingenieuralltag die zeitnahe praktische Umsetzung der FuE-Ergebnisse und garantiert deren Verbreitung.

Die aktive Mitwirkung der Forschungsstelle in relevanten technischen Ausschüssen und nationalen und internationalen Normungsgremien ermöglicht die Diskussion und rasche Verbreitung der Ergebnisse und die zeitnahe Implementierung der entwickelten Modelle in die entsprechenden nationalen und europäischen Normen.

Die entwickelten anwendungsorientierten Modelle für den Sicherheitsnachweis im GZT und den bruchmechanischen Sicherheitsnachweis sollen nach Abschluss des Vorhabens in praxisrelevante Regelwerke überführt werden. Die Ergebnisse des Projekts finden damit unmittelbar Eingang in die durch KMU geprägte Ingenieurpraxis und adressieren die Herausforderungen und Unsicherheiten für planende Ingenieur:innen und Stahlbauunternehmen bei der Einschätzung der strukturellen Zuverlässigkeit von Stahlstrukturen nach Brandereignissen und helfen somit Planungsschwierigkeiten zu beseitigen.