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Funktionale Gradierung, Schalungs- und Herstelltechnologie unter Berücksichtigung der Segmenttopologie



Kurzvorstellung

Das Forschungsprojekt widmet sich der Herausforderung des leichten Bauens mit Hilfe von Schalentragwerken aus Betonfertigteilen. Der Forderung nach leichtem Bauen wird hier aber nicht nur durch Beachtung geringer Verhältniswerte Gewicht zu Traglast Rechnung getragen, unter leichtem Bau wird effizient bauen verstanden, d. h. auch geringe Verhältniswerte Herstellkosten zu Traglast, Energieverbrauch zu Traglast, Öko-Impact zu Traglast etc.

Projektleiter:

Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen
gehlen@tum.de
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Bearbeiter/in:

Sandy Illguth, M.Sc.
illguth@cbm.bv.tum.de
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Dr.-Ing. Dirk Lowke
lowke@tum.de
Homepage
 

Projektlaufzeit: Phase 1 von 07/2011 bis 07/2015
 
Kooperation mit: Prof. Dr.-Ing. Kai-Uwe Bletzinger
 

Forschung im Teilprojekt

Beim Bau von monolithischen Ortbetonschalen ist i. d. R. nicht nur mit einem enormen Arbeitsaufwand insbesondere durch den Schalungsbau zu rechnen, auch stellt die doppelt gekrümmte Geometrie eine für den Werkstoff Beton und ggf. zusätzlich notwendige Bewehrungen (Maßhaltigkeit) bisher nicht überzeugend gelöste Problemstellung dar. Die Antragsteller sind überzeugt davon, dass Schalentragwerke wesentlich effizienter (leichter) aus Betonfertigbauteilen hergestellt werden können.

Vor diesem Hintergrund wurden in einem ersten Bearbeitungsschritt nach oben genannten Kriterien materialabhängige Entwurfsräume für solche segmentierten Schalen aufgestellt. Dazu wurden aus Literaturdaten und eigenen Untersuchungen gewonnene mechanisch bewertete Materialdatensätze ökologisch bilanziert. Daran anschließend wurden mit den nun ökologisch-mechanischen Materialdatensätzen gemeinsam mit dem Projektpartner (Lehrstuhl für Statik der TU München) die Parameter Filigranität des optimal parzellierten Schalentragwerks sowie die ökologischen Auswirkungen auf Tragwerksebene bei vorgegebener Traglast bestimmt, vgl. Bild 1.

Bild 1: Bestimmung eines optimalen Entwurfsraums

In den weiteren Bearbeitungsschritten wurde und wird versucht, den optimalen Entwurfsraum in lohnenden Bereichen gezielt zu erweitern. Dabei ist nicht nur daran gedacht, die aufnehmbare Zugkraft im Bauteil um eine Größenordnung zu steigern, sondern auch daran, das Material im Bauteil selbst zu gradieren. Durch die Gradierung wird es möglich, die Materialeigenschaften lokal an die tatsächliche Beanspruchung anzupassen. Dieser Schritt ist notwendig, um die Effizienz der durch Segmentierung geschwächten Schale weiter steigern zu können.

Bild 2: Funktionale Gradierung auf Tragwerksebene durch Verwendung von Fertigteilen mit verschiedenen Materialeigenschaften

Bild 3: Funktionale Gradierung der Materialeigenschaften innerhalb eines Fertigteils

Für die Untersuchungen zur Gradierung wurde eine geeignete Rotationsmaschine entwickelt und gebaut, Bild 4. Es wurden Carbopol®-Gele mit drei verschiedenen Fließgrenzen  hergestellt. Der Fasergehalt betrug 0,5 Vol.-% Mikrostahlfasern. Die stahlfaserhaltigen Gele wurden in eine transparente Prismenschalung gefüllt und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotiert. Der ersten Ergebnisse zeigen, dass durch Rotation eine gleichmäßige Gradierung mit dem geringsten Fasergehalt im Rotationszentrum und dem höchsten Fasergehalt an den Außenrändern bei vierseitig, zentrisch gradierten Platten mit nur einer Faserart in einem Bauteil vermutlich nicht erreichbar ist. In einem weiteren Arbeitsschritt soll daher versucht werden, zwei unterschiedliche Fasertypen in einem Bauteil zu verwenden, die sich stark in Abmessungen und Masse unterscheiden.

Bild 4: Maschine zur Rotationsgradierung

Für den vorgesehenen Anwendungsfall der dünnwandigen Schalen ist es nötig, hohe Zugfestigkeiten zu erreichen. Hierzu wurden Feinkornbetone mit Fasergehalten von 0 bis 10 Vol.-% Mikrostahlfasern untersucht. Es galt zunächst, in einer FEM-Studie einen optimierten Probekörper für die zentrischen Zugversuche zu finden. Dieser sollte im Rissbereich eine gleichmäßige Spannungsverteilung bei minimalen Probekörper-abmessungen aufweisen, vgl. Bild 5.

Bild 5: Hauptzugspannungen [N/mm²] am Viertel-Modell des optimierten Probekörpers; Probekörper: H/B/T = 328/150/50 mm

Bild 6: gerissener Probekörper
 

Neben den zentrischen Zugversuchen wurden auch Vier-Punkt-Biegeversuche an Balken mit einem Querschnitt von 50/50 mm (ungekerbt) durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass unter Annahme einer vollplastischen Spannungsverteilung im Druck- und Zugbereich eine gute Korrelation zwischen Biegezugfestigkeit und zentrischer Zugfestigkeit besteht. Entsprechend konnte auf die weniger aufwendigen Biegezugversuche zur Ermittlung der zentrischen Zugfestigkeit zurückgegriffen werden. Im Fall der bisher untersuchten Faserfeinkornbetone wurde eine maximale zentrische Zugfestigkeit von 8,1 N/mm² (Biegezugfestigkeit 23,3 N/mm²) erreicht. Im Folgenden soll geklärt werden, ob die Zugfestigkeit durch Variation der Betonmatrix und/oder Einsatz anderer Stahlfasertypen noch gesteigert werden kann. Auch ein Fasermix aus unterschiedlichen Stahlfasern - speziell im Hinblick auf die Gradierung - soll untersucht werden.

Veröffentlichungen

[1] Illguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Rheology of Fibre Reinforced Fine-Grained High Performance Concrete for Thin-Walled Elements − Effect of Type and Content of Steel Fibres. In: Roussel, N.; Bessaies-Bey, H. (Eds.): Proceedings of the 1st International RILEM Conference on Rheology and Processing of Construction Materials and the 7th RILEM Conference on Self-Compacting Concrete, 02.–04.09.2013 in Paris (France), S. 309–316
[2] lllguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Zum Formfüllungsvermögen dünnwandiger Schalungen – Experiment und Simulation. 12. Münchener Baustoffseminar Panta Rhei – Rheologie des Frischbetons, optimiert und modelliert, 27.03.2014 in München, S. 35–40
[3] Illguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Effiziente Schalentragwerke aus funktional gradierten Betonfertigteilen – Funktionale Gradierung, Schalungs- und Herstelltechnologie unter Berücksichtigung der Segmenttopologie. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 152−161 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171462
[4] Illguth, S.; Gehlen, Chr.; Lowke, D.: Ultra High Strength Fibre-Reinforced Concrete for Thin-Walled Precast Elements. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 17.–20.8.2015 in Amsterdam (the Netherlands), paper No. IASS2015-523421, 2 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick)
[5]

Illguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Faserbewehrter ultrahochfester Beton für filigrane Bauteile. In: Ludwig, H.-M. (Hrsg.): Tagungsband zur 19. Internationalen Baustofftagung ibausil 2015, 16.−18.09.2015 in Weimar, Eigenverlag: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, S. 1-1311–1-1318

 

Kontakt

Sprecher

Prof. Manfred Curbach

Geschäftsführerin

Silke Scheerer

Sekretariat

Sabine Hofmann

Adresse

Institut für Massivbau
Technische Universität Dresden
01062 Dresden