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Verbundmittel für Hybridkonstruktionen mit Ultrahochleistungsbeton
lm Hinblick auf die aktuelle Diskussionen zum Klimawandel, den schwindenden Ressourcen sowie den weiter steigenden Rohstoff- und Energiekosten wird die Nachhaltigkeit der Konstruktionen zu einer der zentralen Fragestellungen für die zukünftige Entwicklung des Bauwesens. Derzeit wird der Forderung nach umweltgerechten und energieeffizienten Bauwerken meist durch zusätzliche Investitionen in die dazu notwendige Ausrüstung eines Gebäudes realisiert. Die zur Anwendung kommenden Konstruktionsformen selbst blieben bislang weitgehend unverändert. Meist beschränken sich die Forschungen und Innovationen im Konstruktionssektor auf den Ersatz herkömmlicher Werkstoffe in üblichen Konstruktionsformen durch solche mit besseren mechanischen Eigenschaften. In der Regel wird hierbei jedoch nur die höhere Festigkeit des jeweiligen Werkstoffes genutzt. Als frei formbarem Werkstoff, mit diesen so ausgeprägt vorhandenen Eigenschaften der Festigkeit und Dauerhaftigkeit besitzt der UHFB aber ein weit höheres Potential als ihm bei der Substitution in üblichen Konstruktionen abverlangt wird. Um die Vorteile, die ein UHFB gegenüber herkömmlichen Werkstoffen hat, in ihrer Gesamtheit nutzen zu können, müssen neue, auf diese Eigenschaften abgestimmte Konstruktionsformen entwickelt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit dem Konzept der passiv umschnürten Betondübel eine neuartige Konstruktionsform zur Herstellung von Rohrknoten für den Bau von ebenen und räumlichen Fachwerken vorgestellt. Fachwerkkonstruktionen aus kreisrunden Hohlprofilen bieten neben ihren gestalterischen Vorteilen auch aufgrund des Lastabtrages in Form von Druck- und Zugkräften eine ideale Basis für die Kombination mit anderen Werkstoffen. Betrachtet man die Herstellungskosten einer solchen Fachwerkkonstruktion so ist festzustellen, dass nicht die Stabnachweise die Dimensionierung der Stäbe bestimmen, sondern die lokalen Nachweise der Gestaltsfestigkeit in den Hohlknoten. Darüber hinaus verursachen die aufwändige Schnittführung der Streben sowie die zu deren Anschluss notwendigen Schweißnähte weitere Kosten. In vielen Fällen wurden, um diese Nachteile zu umgehen, anstelle der Hohlknoten vorgefertigte Gussknoten eingesetzt. Allerdings weist diese Konstruktionsform neben den hohen Kosten meist auch Probleme bezüglich der Passgenauigkeit mit den anzuschließenden Rohrsegmenten auf. Das vorgeschlagene Konstruktionsprinzip der UHFB-gefüllten Knoten setzt an diesen Problempunkten an. Durch die vorgesehene UHFB-Füllung gelingt es, neben der wirksamen Aussteifung des Knotenbereiches auch gleichzeitig die Lasteinleitung von Druck- und Zugkräften in den Knoten erheblich zu vereinfachen. Es werden sowohl Lösungsmöglichkeiten für komplett UHFB-gefüllte Rohrfachwerke als auch für Fachwerke, bei denen allein die Gurte, ganz oder partiell, befüllt werden sowie für die Herstellung vorgefertigter Knotenbauteile vorgestellt. Allen Knotenlösungen ist gemeinsam, dass die Tragfähigkeit von umschnürten Betondübeln eine ausreichende und sichere Kraftübertragung gewährleistet. Das bei umschnürten Betondübeln vorliegende Tragverhalten unterscheidet sich indes deutlich von den in den Arbeiten von Wurzer und Zapfe formulierten Modellvorstellungen üblicher Betondübel. Anhand von 15 durchgeführten Versuchsserien mit insgesamt 50 Modellversuchen konnten die Einflussfaktoren auf das Trag- und Verformungsverhalten der umschnürten Betondübel bestimmt und ein entsprechendes mechanisches Modell abgeleitet werden. Die Modellversuche wurden an drei Versuchsaufbauten durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf Push-Out-Versuchen mit unterschiedlichen Umschnürungsbedingungen lag. Die zusätzlich durchgeführten Rohrknotenversuche dienten der Absicherung der Versuchsergebnisse unter realen Belastungs- und Umschnürungsbedingungen. Darüber hinaus sollte die Übertragung der Ergebnisse der Rohr-Push-Out-Versuche überprüft werden. Die aus den Modellversuchen abgeleiteten Arbeitslinien zeigen eine hohe Anfangssteifigkeit und eine überaus duktile Versagenscharakteristik im Nachbruchbereich. Die umschnürten Betondübel können daher als ideale Verbundmittel für die Herstellung von Fachwerkknoten angeschen werden, da hierfür ein nahezu starrer Verbund erforderlich ist um Kraftumlagerungen von der Strebe in die Gurte zu minimieren. Die ermittelten Arbeitslinien zeigen dabei im 'ansteigenden' Ast einen fast linearen Zusammenhang zwischen Kraft und Verschiebung. Im Nachbruchbereich sind umschnürte Betondübel in der Lage, größere Verschubwege bei nur wenig abfallender Traglast zurückzulegen. Das heißt im Grenzzustand der Tragfähigkeit tritt vor dem Versagen der Konstruktion eine merkliche Zunahme der Verformung ein. Um die Verknüpfung zwischen der Arbeitslinie der Betondübel und der Aktivierung bzw. Beanspruchung der Umschnürung herzustellen, wurden umfangreiche numerische Untersuchungcn angestellt. Grundlage dieser Untersuchungen waren die aus den Modellversuchen ermittelte Lastverformungscharakteristik der Betondübel, bestehend aus der dem System aufgebrachten Vertikalkraft FV, dem Verschubweg deltaV des Einstellbleches und den an ausgewählten Stellen auf der stählernen Ummantelung gemessenen Dehnungen. Wie sich zeigte, reagierten die Dehnungsmessungen, ganz im Gegensatz zur Arbeitslinie der Betondübel, sehr sensitiv auf die individuell vorhandenen geometrischen und strukturellen Imperfektionen der Probekörper. D.h. selbst kleine Abweichungen z.B. des Einstellbleches von der Solllage hatten zum Teil erheblichen Einfluss auf die gemessenen Dehnungen. So mussten zunächst diese Einflüsse verifiziert werden, um die allein aus der Umschnürungswirkung stammenden Dehnungsanteile der Numerik zugrunde legen zu können. Die in Kapitel 4 vorgenommene Auswertung der Versuchsergebnisse lässt darauf schließen, dass bei der Verwendung eines bestimmten Füllbetons etwa von gleichen Rautiefen und einem gleichen Schädigungsverhalten in den Bruchflächen ausgegangen werden kann. Das bedeutet dass ein
Verbundmittel für Hybridkonstruktionen mit Ultrahochleistungsbeton
lm Hinblick auf die aktuelle Diskussionen zum Klimawandel, den schwindenden Ressourcen sowie den weiter steigenden Rohstoff- und Energiekosten wird die Nachhaltigkeit der Konstruktionen zu einer der zentralen Fragestellungen für die zukünftige Entwicklung des Bauwesens. Derzeit wird der Forderung nach umweltgerechten und energieeffizienten Bauwerken meist durch zusätzliche Investitionen in die dazu notwendige Ausrüstung eines Gebäudes realisiert. Die zur Anwendung kommenden Konstruktionsformen selbst blieben bislang weitgehend unverändert. Meist beschränken sich die Forschungen und Innovationen im Konstruktionssektor auf den Ersatz herkömmlicher Werkstoffe in üblichen Konstruktionsformen durch solche mit besseren mechanischen Eigenschaften. In der Regel wird hierbei jedoch nur die höhere Festigkeit des jeweiligen Werkstoffes genutzt. Als frei formbarem Werkstoff, mit diesen so ausgeprägt vorhandenen Eigenschaften der Festigkeit und Dauerhaftigkeit besitzt der UHFB aber ein weit höheres Potential als ihm bei der Substitution in üblichen Konstruktionen abverlangt wird. Um die Vorteile, die ein UHFB gegenüber herkömmlichen Werkstoffen hat, in ihrer Gesamtheit nutzen zu können, müssen neue, auf diese Eigenschaften abgestimmte Konstruktionsformen entwickelt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit dem Konzept der passiv umschnürten Betondübel eine neuartige Konstruktionsform zur Herstellung von Rohrknoten für den Bau von ebenen und räumlichen Fachwerken vorgestellt. Fachwerkkonstruktionen aus kreisrunden Hohlprofilen bieten neben ihren gestalterischen Vorteilen auch aufgrund des Lastabtrages in Form von Druck- und Zugkräften eine ideale Basis für die Kombination mit anderen Werkstoffen. Betrachtet man die Herstellungskosten einer solchen Fachwerkkonstruktion so ist festzustellen, dass nicht die Stabnachweise die Dimensionierung der Stäbe bestimmen, sondern die lokalen Nachweise der Gestaltsfestigkeit in den Hohlknoten. Darüber hinaus verursachen die aufwändige Schnittführung der Streben sowie die zu deren Anschluss notwendigen Schweißnähte weitere Kosten. In vielen Fällen wurden, um diese Nachteile zu umgehen, anstelle der Hohlknoten vorgefertigte Gussknoten eingesetzt. Allerdings weist diese Konstruktionsform neben den hohen Kosten meist auch Probleme bezüglich der Passgenauigkeit mit den anzuschließenden Rohrsegmenten auf. Das vorgeschlagene Konstruktionsprinzip der UHFB-gefüllten Knoten setzt an diesen Problempunkten an. Durch die vorgesehene UHFB-Füllung gelingt es, neben der wirksamen Aussteifung des Knotenbereiches auch gleichzeitig die Lasteinleitung von Druck- und Zugkräften in den Knoten erheblich zu vereinfachen. Es werden sowohl Lösungsmöglichkeiten für komplett UHFB-gefüllte Rohrfachwerke als auch für Fachwerke, bei denen allein die Gurte, ganz oder partiell, befüllt werden sowie für die Herstellung vorgefertigter Knotenbauteile vorgestellt. Allen Knotenlösungen ist gemeinsam, dass die Tragfähigkeit von umschnürten Betondübeln eine ausreichende und sichere Kraftübertragung gewährleistet. Das bei umschnürten Betondübeln vorliegende Tragverhalten unterscheidet sich indes deutlich von den in den Arbeiten von Wurzer und Zapfe formulierten Modellvorstellungen üblicher Betondübel. Anhand von 15 durchgeführten Versuchsserien mit insgesamt 50 Modellversuchen konnten die Einflussfaktoren auf das Trag- und Verformungsverhalten der umschnürten Betondübel bestimmt und ein entsprechendes mechanisches Modell abgeleitet werden. Die Modellversuche wurden an drei Versuchsaufbauten durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf Push-Out-Versuchen mit unterschiedlichen Umschnürungsbedingungen lag. Die zusätzlich durchgeführten Rohrknotenversuche dienten der Absicherung der Versuchsergebnisse unter realen Belastungs- und Umschnürungsbedingungen. Darüber hinaus sollte die Übertragung der Ergebnisse der Rohr-Push-Out-Versuche überprüft werden. Die aus den Modellversuchen abgeleiteten Arbeitslinien zeigen eine hohe Anfangssteifigkeit und eine überaus duktile Versagenscharakteristik im Nachbruchbereich. Die umschnürten Betondübel können daher als ideale Verbundmittel für die Herstellung von Fachwerkknoten angeschen werden, da hierfür ein nahezu starrer Verbund erforderlich ist um Kraftumlagerungen von der Strebe in die Gurte zu minimieren. Die ermittelten Arbeitslinien zeigen dabei im 'ansteigenden' Ast einen fast linearen Zusammenhang zwischen Kraft und Verschiebung. Im Nachbruchbereich sind umschnürte Betondübel in der Lage, größere Verschubwege bei nur wenig abfallender Traglast zurückzulegen. Das heißt im Grenzzustand der Tragfähigkeit tritt vor dem Versagen der Konstruktion eine merkliche Zunahme der Verformung ein. Um die Verknüpfung zwischen der Arbeitslinie der Betondübel und der Aktivierung bzw. Beanspruchung der Umschnürung herzustellen, wurden umfangreiche numerische Untersuchungcn angestellt. Grundlage dieser Untersuchungen waren die aus den Modellversuchen ermittelte Lastverformungscharakteristik der Betondübel, bestehend aus der dem System aufgebrachten Vertikalkraft FV, dem Verschubweg deltaV des Einstellbleches und den an ausgewählten Stellen auf der stählernen Ummantelung gemessenen Dehnungen. Wie sich zeigte, reagierten die Dehnungsmessungen, ganz im Gegensatz zur Arbeitslinie der Betondübel, sehr sensitiv auf die individuell vorhandenen geometrischen und strukturellen Imperfektionen der Probekörper. D.h. selbst kleine Abweichungen z.B. des Einstellbleches von der Solllage hatten zum Teil erheblichen Einfluss auf die gemessenen Dehnungen. So mussten zunächst diese Einflüsse verifiziert werden, um die allein aus der Umschnürungswirkung stammenden Dehnungsanteile der Numerik zugrunde legen zu können. Die in Kapitel 4 vorgenommene Auswertung der Versuchsergebnisse lässt darauf schließen, dass bei der Verwendung eines bestimmten Füllbetons etwa von gleichen Rautiefen und einem gleichen Schädigungsverhalten in den Bruchflächen ausgegangen werden kann. Das bedeutet dass ein
Verbundmittel für Hybridkonstruktionen mit Ultrahochleistungsbeton
Küchler, Michael (author)
2009
378 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
Innovative Verbundmittel in Ultrahochleistungsbeton
Wiley | 2011
|Innovative Verbundmittel in Ultrahochleistungsbeton
Online Contents | 2011
|Verbundmittel für Hybridkonstruktionen mit Ultrahochleistungsbeton
UB Braunschweig | 2009
|Online Contents | 2008