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Kohlmeyer/Andrä

Konstruktion und Optimierung von Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile aus ultrahochfestem Beton



Kurzvorstellung

Zum kraft- und formschlüssigen Fügen von dünnwandigen, filigranen Betonfertigteilen eignen sich besonders kontinuierliche, flächige Verbindungen, die durch Verkleben erzielt werden können. Im Rahmen dieses Vorhabens sollen möglichst einfach zu handhabende Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile konstruiert und optimiert werden. Die Verbindungen soll so ausgelegt werden, dass sie sowohl Beanspruchungen aus einzelnen Schnittgrößen als auch aus Schnittgrößenkombinationen übertragen können. Die einzelnen Parameter, die dabei untersucht werden sollen, sind im Wesentlichen die Klebefugengeometrie sowie die Oberflächenbeschaffenheit und Bewehrung der zu verklebenden Bauteile. Als Klebstoff soll in erster Linie ein hochfester mineralischer Mörtel, ein sog. Reactive-Powder-Concrete-Klebstoffe eingesetzt werden. Das Optimieren der Klebefugengeometrie und der Bewehrung in der Nähe der Fuge erfolgt mit Hilfe eines mathematisch fundierten integrierten Shape- und Topologie-Optimierungsverfahrens, wobei die Fugengeometrie sowie das Interface zwischen Beton und Bewehrung mit Level-Set-Funktionen beschrieben werden. Dieses Verfahren wurde ursprünglich zur Gewichtsreduktion von Gussteilen entwickelt und nutzt den topologischen Gradienten als Maß für die Sensitivität der Zielfunktion bzgl. der Größe einer Pore oder eines Risses in einem gegebenen Punkt im Bauteil. Auf der Basis der experimentellen und numerischen Untersuchungen sollen Entscheidungshilfen zur Fugengestaltung und ein ingenieurmäßiges Bemessungsmodell zur Berechnung der übertragbaren Schnittgrößen abgeleitet werden.

In einer ersten Versuchsreihe wurden Tastversuche zum Zugtragverhalten, Biegetragverhalten und Querkrafttragverhalten an verschiedenen Fugenvarianten durchgeführt. Es wurden die Fugengeometrien, die Art der Bewehrung, sowie die Klebflächenvorbehandlung variiert. Es hat sich gezeigt, dass die untersuchten Klebfugen je nach Geometrie in der Lage sind, erhebliche Kräfte zu übertragen, und dass das Tragverhalten duktilen Charakter besitzt.

Im Hinblick auf die Bemessung sowie auf die numerische Optimierung gilt es, ein Bruchkriterium zu entwickeln, mit dem sich das Versagen der Klebverbindung bei den in der Fuge vorherrschenden Beanspruchungszuständen zuverlässig beschreiben lässt. Bislang wurden im Betonbau hauptsächlich Klebverbindungen mit Epoxid- und Polyesterharzklebstoffen untersucht. Für schub- bzw. schub-druck-beanspruchte Klebfugen stehen dafür Bruchkriterien zur Verfügung. Neuere Forschungsarbeiten befassen sich mit Klebverbindungen, bei denen ein hochfester mineralischer Mörtel als Klebstoff Verwendung findet. Auf Basis experimenteller Untersuchungen wurde ein Bruchkriterien für eine Schub-Druckbeanspruchung sowie für reine Zugbeanspruchung formuliert. Mit dem Ziel, ein integriertes Bruchkriterium für sämtliche zweiaxialen Beanspruchungszustände in Klebfugen zu entwickeln, wurden Schub-Druck- sowie Schub-Zugversuche mit verschiedenen Fugenneigungswinkeln durchgeführt.

Darüber hinaus wurden zahlreiche Zugversuche durchgeführt. Es wurde dabei zum einen die Klebschichtdicke und die Art der Klebflächenvorbehandlung oder -gestaltung variiert, zum anderen wurde in einer weiteren Versuchsreihe versucht, den Klebvorgang zu optimieren. Es zeigt sich, dass der Klebvorgang hohe Sorgfalt erfordert. Die Klebtechnik oder das Klebverfahren sowie der Vornässgrad und die Art der Nachbehandlung haben Einfluss auf die Zugfestigkeit der Klebverbindung. Neben dem in erster Linie verwendeten, an der TU München entwickelten, hochfesten Mörtel wurden auch ein auf dem Markt erhältlicher Verbundmörtel sowie Hochfestleim der Firma Pagel untersucht.

Die experimentellen Untersuchungen sind mittlerweile abgeschlossen. Zurzeit werden die Versuche ausgewertet. Als nächster Schritt steht die Formulierung eines geeigneten Bemessungskonzepts an.

Das Forschungsprojekt wird in der 2. Förderphase nicht fortgesetzt.

Projektleiter: Jun.-Prof. Dr.-Ing. Christian Kohlmeyer
christian.kohlmeyer@bauing.uni-kl.de
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Priv.-Doz. Dr. Heiko Andrä
Heiko.Andrae@itwm.fraunhofer.de
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Bearbeiter/in:

Dipl.-Ing. Sebastian Oster
sebastian.oster@bauing.uni-kl.de
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Dipl.-Ing. Inga Shklyar
inga.shklyar@itwm.fraunhofer.de
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Projektlaufzeit: von 09/2011 bis 10/2014

Schädigungsmodell - Fuge mit diskreter Bewehrung [Fraunhofer ITWM KL]

Lastverformungskurven - Zugversuche an Fugen mit Mikrobewehrung und diskreter Bewehrung [FG Massivbau TU KL]

Versagte Fuge mit diskreter Bewehrung [FG Massivbau TU KL]

Versagte Fuge mit Mikrobewehrung [FG Massivbau TU KL]

Dehnungsverteilung bei einem Zugversuch an einer Keilzinkenverbindung, gemessen mit Hilfe der Photogrammetrie [Foto: Sebastian Oster]

Veröffentlichungen

[1] Oster, S.; Kohlmeyer, C.; Shklyar, I.; Andrä, H.: Adhesive joints for structural elements of high performance concrete (HPC). In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Eds.): Proceedings of the 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 22.−25.07.2012, Karlsruhe, Germany. KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2012, S. 335−340
[2] Kohlmeyer, C.; Oster, S.: Zugbeanspruchte Klebverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile aus hochfestem Beton. In: Gebekken, N. et al. (Hrsg.): Festschrift zum 60. Geburtstag von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser. Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau 12/4, Universität der Bundeswehr München, 2012, S. 273−279
[3] Oster, S.; Kohlmeyer, C.: Untersuchungen zur Formulierung eines zweiaxialen Bruchkriteriums für Klebfugen zwischen Betonbauteilen. In: Breitenbücher, R.; Mark, P. (Hrsg.): Beiträge zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium in Bochum, 07.−08.11.2013, Ruhr-Universität Bochum, 2013, S. 59–64
[4] Schneider, M.; Andrä, H.: The topological gradient in anisotropic elasticity with an eye towards lightweight design. Mathematical Methods in the Applied Sciences (2013), 18 S. − DOI: 10.1002/mma.2918
[5] Schnell, J.; Kohlmeyer, C.; Bayer, D.; Müller, F.: Werkstoffgerechtes Konstruieren mit Hochleistungsbetonen. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 6, S. 404−413
[6] Oster, S.; Kohlmeyer, C.: Experimental investigations on a finger joint for structural elements of high performance concrete. In: Bastien, J.; Rouleau, N.; Fiset, M.; Thomassin, M. (Eds.): Proceedings of the 10th fib international PhD Symposium in Civil Engineering, Research Centre on Concrete Infrastructure (CRIB), 21.−23.07.2014, Quebec City, Canada. Université Laval, Québec, 2014, S. 315−320.
[7] Kohlmeyer, C.; Oster, S.: Klebverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile aus hochfestem Beton. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 140−151 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171445
[8] Andrä, H.; Shklyar, I.; Schneider, M.; Zangmeister, T.: Zur Simulation von Klebeverbindungen für Scheibenbauteile mit Level-Set-Funktionen und erweiterter Finite-Elemente-Methode. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 254−261 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171557