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Ein Implantat zur Einleitung konzentrierter Lasten in Bauteile aus ultra-hochfestem Beton
Mit ultra-hochfestem Beton steht im Bauwesen ein Hochleistungswerkstoff zur Verfügung, dessen Druckfestigkeit im Bereich von normalfestem Baustahl liegt und der dabei nur ca. ein Drittel des spezifischen Gewichtes von Stahl aufweist. Durch den Einsatz von Stahlfasern kann bei entsprechender Konstruktionsweise auf herkömmliche Bewehrung verzichtet werden – dann sind lediglich 20 mm dicke Bauteile möglich. Wie bei nahezu allen Hochleistungswerkstoffen sind auch bei ultra-hochfestem Beton für einen wirtschaftlichen und praktikablen Einsatz geeignete Verarbeitungsprozesse und Herstellverfahren erforderlich, da gegenüber Normalbeton bei der Herstellung und Verarbeitung ein deutlich höheres Maß an Sorgfalt erforderlich ist. Dies führt fast zwangsläufig zur überwiegenden Produktion von Bauteilen im Fertigteilwerk mit anschließendem Fügen auf der Baustelle. Punktuellen Fügungen ist hierbei aus Gründen der Herstell- und Rezyklierbarkeit in der Regel der Vorzug vor den unter Kraftfluss-Aspekten günstigeren kontinuierlichen Fügungen zu geben. Dies macht neuartige Verbindungstechniken für Fertigteile notwendig, die den Anforderungen des Werkstoffes gewachsen sind. Diese punktuellen Verbindungstechniken führen letztlich immer zur Problematik der konzentrierten Lasteinleitung. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist demzufolge, konzentrierte Lasteinleitungsbereiche mittels eines integralen Lasteinleitungselements – das in Analogie zur Medizin als „Implantat“ bezeichnet wird – beherrschbar zu machen. Eine klar am Trajektorienverlauf im Lasteinleitungsbereich orientierte Implantatgeometrie nutzt neben der Minimierung von Gefügestörungen im UHPC-Bauteil bei gleichzeitiger Maximierung der Kontaktfläche auch die Lasteinleitung längs der Kraftrichtung als positiven Effekt. Den mit Abstand günstigsten Einfluss auf die Tragfähigkeit eines Lasteinleitungsbereiches hat jedoch die Vermeidung von Spannungsspitzen, die eine gleichmäßige und damit zugleich maximale Werkstoffausnutzung erst ermöglicht. Durch Steifigkeitsanpassungen des Lasteinleitungselementes lassen sich hier signifikante Verbesserungen in der Spannungsverteilung erzielen. Eine Parameterstudie zu den Einflussgrößen auf die Spannungsverteilung im Lasteinleitungsbereich identifiziert die Steifigkeitsverteilung der Verzahnungsleiste als maßgebenden Einflussfaktor. Die gewünschte Homogenisierung der Beanspruchungen im Lasteinleitungsbereich lässt sich dementsprechend durch den Einsatz von Verzahnungselementen aus Titan erreichen – der hier im Vergleich zu Stahl geringere Elastizitätsmodul wirkt sich günstig auf die Beanspruchungsverteilung aus, da die Maximalwerte der Spannungsabweichungen halbiert werden und sich so die rechnerische Tragfähigkeit des Implantats erhöht. In den numerischen Untersuchungen wurden Tragfähigkeiten der 20 mm dicken UHPC-Scheiben bei konzentrierter Lasteinleitung mittels Implantaten von 689 kN bei Titan-Verzahnung und 573 kN bei Stahl-Verzahnung ermittelt – dies entspricht beachtlichen 77 % (Titan-Verzahnung) bzw. 64 % (Stahl-Verzahnung) der anhand der Druckfestigkeit des ultra-hochfesten Betons ermittelten Querschnittstragfähigkeit der Scheibe. Diese Gegenüberstellung zeigt deutlich die immens gesteigerte Leistungsfähigkeit des Implantats zur Druckkrafteinleitung gegenüber konventionellen Einbauteilen. Die umfangreichen theoretischen Untersuchungen konnten anhand von zwei Serien von Tastversuchen verifiziert werden: Die Versuchskörper erreichen bis zu 90 % der rechnerischen Traglasten und zeigen ein mit den numerischen Untersuchungen weitestgehend übereinstimmendes Last-Verformungs-Verhalten. Gegenüber einer Lasteinleitung ohne Implantat mit gleich großer Lasteinleitungsfläche und ansonsten identischen geometrischen Bedingungen (Vergleichsscheiben ohne Implantate) werden bei den Tastversuchen der ersten Serie mehr als doppelt so hohe Tragfähigkeiten von bis zu 664 kN erreicht – die im Lasteinleitungspunkt auftretende Spannung beträgt dabei 738 MPa und liegt somit deutlich über den Werkstofffestigkeiten gängiger Baustähle. Auch die in der zweiten Versuchsreihe gemessenen Spannungsverteilungen in den Versuchsscheiben stimmen in ihrem prinzipiellen Verlauf mit den numerisch ermittelten sehr gut überein. Während theoretisch bei einer konzentrierten Lasteinleitung (Einzellast) die maximale Spannungsabweichung („Spannungsspitze“) von der homogenen Spannungsverteilung bis zu 220 % beträgt, schafft das Implantat hier eine deutliche Verbesserung: die maximalen Spannungsabweichungen in den numerischen wie auch experimentellen Untersuchungen betragen nur noch unter 30 %.
Ein Implantat zur Einleitung konzentrierter Lasten in Bauteile aus ultra-hochfestem Beton
Mit ultra-hochfestem Beton steht im Bauwesen ein Hochleistungswerkstoff zur Verfügung, dessen Druckfestigkeit im Bereich von normalfestem Baustahl liegt und der dabei nur ca. ein Drittel des spezifischen Gewichtes von Stahl aufweist. Durch den Einsatz von Stahlfasern kann bei entsprechender Konstruktionsweise auf herkömmliche Bewehrung verzichtet werden – dann sind lediglich 20 mm dicke Bauteile möglich. Wie bei nahezu allen Hochleistungswerkstoffen sind auch bei ultra-hochfestem Beton für einen wirtschaftlichen und praktikablen Einsatz geeignete Verarbeitungsprozesse und Herstellverfahren erforderlich, da gegenüber Normalbeton bei der Herstellung und Verarbeitung ein deutlich höheres Maß an Sorgfalt erforderlich ist. Dies führt fast zwangsläufig zur überwiegenden Produktion von Bauteilen im Fertigteilwerk mit anschließendem Fügen auf der Baustelle. Punktuellen Fügungen ist hierbei aus Gründen der Herstell- und Rezyklierbarkeit in der Regel der Vorzug vor den unter Kraftfluss-Aspekten günstigeren kontinuierlichen Fügungen zu geben. Dies macht neuartige Verbindungstechniken für Fertigteile notwendig, die den Anforderungen des Werkstoffes gewachsen sind. Diese punktuellen Verbindungstechniken führen letztlich immer zur Problematik der konzentrierten Lasteinleitung. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist demzufolge, konzentrierte Lasteinleitungsbereiche mittels eines integralen Lasteinleitungselements – das in Analogie zur Medizin als „Implantat“ bezeichnet wird – beherrschbar zu machen. Eine klar am Trajektorienverlauf im Lasteinleitungsbereich orientierte Implantatgeometrie nutzt neben der Minimierung von Gefügestörungen im UHPC-Bauteil bei gleichzeitiger Maximierung der Kontaktfläche auch die Lasteinleitung längs der Kraftrichtung als positiven Effekt. Den mit Abstand günstigsten Einfluss auf die Tragfähigkeit eines Lasteinleitungsbereiches hat jedoch die Vermeidung von Spannungsspitzen, die eine gleichmäßige und damit zugleich maximale Werkstoffausnutzung erst ermöglicht. Durch Steifigkeitsanpassungen des Lasteinleitungselementes lassen sich hier signifikante Verbesserungen in der Spannungsverteilung erzielen. Eine Parameterstudie zu den Einflussgrößen auf die Spannungsverteilung im Lasteinleitungsbereich identifiziert die Steifigkeitsverteilung der Verzahnungsleiste als maßgebenden Einflussfaktor. Die gewünschte Homogenisierung der Beanspruchungen im Lasteinleitungsbereich lässt sich dementsprechend durch den Einsatz von Verzahnungselementen aus Titan erreichen – der hier im Vergleich zu Stahl geringere Elastizitätsmodul wirkt sich günstig auf die Beanspruchungsverteilung aus, da die Maximalwerte der Spannungsabweichungen halbiert werden und sich so die rechnerische Tragfähigkeit des Implantats erhöht. In den numerischen Untersuchungen wurden Tragfähigkeiten der 20 mm dicken UHPC-Scheiben bei konzentrierter Lasteinleitung mittels Implantaten von 689 kN bei Titan-Verzahnung und 573 kN bei Stahl-Verzahnung ermittelt – dies entspricht beachtlichen 77 % (Titan-Verzahnung) bzw. 64 % (Stahl-Verzahnung) der anhand der Druckfestigkeit des ultra-hochfesten Betons ermittelten Querschnittstragfähigkeit der Scheibe. Diese Gegenüberstellung zeigt deutlich die immens gesteigerte Leistungsfähigkeit des Implantats zur Druckkrafteinleitung gegenüber konventionellen Einbauteilen. Die umfangreichen theoretischen Untersuchungen konnten anhand von zwei Serien von Tastversuchen verifiziert werden: Die Versuchskörper erreichen bis zu 90 % der rechnerischen Traglasten und zeigen ein mit den numerischen Untersuchungen weitestgehend übereinstimmendes Last-Verformungs-Verhalten. Gegenüber einer Lasteinleitung ohne Implantat mit gleich großer Lasteinleitungsfläche und ansonsten identischen geometrischen Bedingungen (Vergleichsscheiben ohne Implantate) werden bei den Tastversuchen der ersten Serie mehr als doppelt so hohe Tragfähigkeiten von bis zu 664 kN erreicht – die im Lasteinleitungspunkt auftretende Spannung beträgt dabei 738 MPa und liegt somit deutlich über den Werkstofffestigkeiten gängiger Baustähle. Auch die in der zweiten Versuchsreihe gemessenen Spannungsverteilungen in den Versuchsscheiben stimmen in ihrem prinzipiellen Verlauf mit den numerisch ermittelten sehr gut überein. Während theoretisch bei einer konzentrierten Lasteinleitung (Einzellast) die maximale Spannungsabweichung („Spannungsspitze“) von der homogenen Spannungsverteilung bis zu 220 % beträgt, schafft das Implantat hier eine deutliche Verbesserung: die maximalen Spannungsabweichungen in den numerischen wie auch experimentellen Untersuchungen betragen nur noch unter 30 %.
Ein Implantat zur Einleitung konzentrierter Lasten in Bauteile aus ultra-hochfestem Beton
The introduction of concentrated forces into UHPC elements by the use of implants
Kobler, Martin (Autor:in) / Universität Stuttgart (Gastgebende Institution)
2013
Sonstige
Elektronische Ressource
Deutsch
DDC:
624
Ein Implantat zur Einleitung konzentrierter Lasten in Bauteile aus ultra-hochfestem Beton
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