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TP Curbach 1D

Querschnittsadaption für stabförmige Druckbauteile

 



Kurzvorstellung

Aufbauend auf der 1. Förderperiode – in der überwiegend Forschung zur Formoptimierung von zentrisch belasteten Stützen vorgenommen wurde – liegt in der 2. Förderperiode der Schwerpunkt auf repräsentative, vom zentrischen Druck abweichende Belastungsfälle typischer Hochbaustützen. Ziel ist es, für diese Belastungsfälle mit analytischen und numerischen Verfahren kraftflussgerechte Formen zu finden, durch welche ein materialeffizienteres Bauen möglich wird. Die theoretischen Ergebnisse sollen über experimentelle Untersuchungen verifiziert werden. Ein besonderes Augenmerk wird auf den Anschlussbereich der Stütze an die Decke gelegt. Für diesen Bereich soll insbesondere untersucht werden, inwieweit eine Modifizierung des Stützenkopfes zur Materialeinsparung – z. B. durch planmäßig eingeführte Hohlstellen oder eine gänzliche Querschnitts-Aufgliederung in mehrere Einzelstäbe – das Durchstanzverhalten beeinträchtigt. Für die Zusammenführung der beiden Bauteile Stütze und Decke zu einem einheitlichen Gesamttragwerk ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Forschungsprojekt Curbach 2D Leichte Deckentragwerke aus geschichteten Hochleistungsbetonen vorgesehen.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing E.h. Manfred Curbach
Manfred.Curbach@tu-dresden.de
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Bearbeiter/in:

Dipl.-Ing. Angela Schmidt
Angela.Schmidt@tu-dresden.de
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Dipl.-Ing. Katrin Schwiteilo (bis 10/2012)
Dr.-Ing. Regine Ortlepp (10/2012−04/2013)

Projektlaufzeit:

Förderphase 2 von 10/2014 bis 09/2017

Entsprechend den Darlegungen der Förderphase I wurden zu Beginn der 2. Förderperiode schlanke Stützen getestet, die in Längsrichtung formoptimiert ausgeführt wurden. Zunächst wurde dafür die optimale Stützengeometrie beschrieben, wenn die Lagerungsbedingungen von den idealisierten abweichen. Bei einer beidseitig elastischen Einspannung, die in der Realität zumeist vorliegt, verschieben sich die Einschnürungspunkte der optimierten Geometrie aus der Viertelpunktlage zu den Stützenenden. Mit diesem Ansatz der Stützenform und den vorab durchgeführten Referenzversuchen, die zur Ermittlung des vorhandenen Einspanngrades dienten, konnte die optimale Stützengeometrie gewonnen werden. Für die Versuche wurde dann die Knickrichtung vorgegeben (durch einen rechteckigen Grundriss), sodass die Optimierung nur in eine Richtung erfolgen brauchte. Die Vorgabe der Knickrichtung vereinfacht nicht nur die Herstellungsbedingungen sondern auch die Versuchsdurchführung und Beobachtung des Versagensvorganges. Die offene Schalung wurde aus einem Kunststoffblock computergesteuert gefräst (Bild 1).

Bild 1: Kunststoffschalung der
formoptimierten Stützenformen
Bild 2: Knickversagen einer Referenzstütze mit konstantem Querschnitt (links) im Vergleich zur formoptimierten Stütze (rechts)

Insgesamt wurden drei formgleiche Stützen hergestellt und getestet. Deren Versagenslasten waren alle nahezu gleich groß und fielen somit im Vergleich zu den volumengleichen Referenzstützen um 24 % höher aus. Diese Steigerung konnte mit dem gewählten Mindestquerschnitt über verschiedene Berechnungsmethoden vorab bestätigt werden. Die Verifizierung der theoretischen Grundlagen zur Formoptimierung von Knickstützen ist damit erbracht.

Die Auswahl repräsentativer vom zentrischen Druck abweichender Belastungsfälle für Hochbaustützen erfolgte mithilfe einer Variantenstudie. Als Randbedingungen wurden eine ausreichende Gebäudeaussteifung (ohne das Heranziehen der Stützen) und eine monolithische Ausführung der Knotenpunkte gewählt (ein gelenkiger Anschluss würde auf den Lastfall des zentrischen Drucks zurückführen). Unter Variation sämtlicher geometrischer Größen sowie unter Beachtung verschiedener Lastfälle und möglicher Tragsysteme konnte in der Studie ermittelt werden, dass sich in allen Randstützen stets ein ähnlicher Verlauf der Momentenbeanspruchung einstellt (Nulldurchgang ca. im mittleren Drittel der Stützenhöhe). Das Verhältnis zwischen Normalkraft und Moment hängt dabei sowohl von dem jeweiligen Gebäude als auch von der entsprechenden Etage ab. So wird in der untersten Etage eines mehrgeschossigen Gebäudes das Moment häufig durch eine hohe wirkende Normalkraft völlig überdrückt. Theoretisch wäre in solch einem Fall der Einsatz von Bewehrung nicht erforderlich. Zur Aufnahme der großen Druckspannungen empfiehlt sich stattdessen der Einsatz (ultra-)hochfesten Betons. Im Gegensatz dazu stehen die geringen vertikalen Auflasten in den obersten Etagen, die das Auftreten großer Zugspannungen infolge vorwiegender Biegung bewirken und somit den Einsatz (hoher) Bewehrungsmengen erfordern. Eine geringe oder normalfeste Betongüte wäre hier ausreichend. Beispielhaft wurden die Stützen für drei unterschiedliche Verhältnisse von Momenten- und Normalkraftbeanspruchung form- und materialoptimiert. Derzeit erfolgt die experimentelle Umsetzung.

Veröffentlichungen

[1] Schwiteilo, K.: Concrete columns formed by nature. In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Hrsg.): 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. 303−308 − DOI: http://dx.doi.org/10.5445/KSP/1000028287
[2] Schmidt, A.; Curbach, M.: Historische Betrachtungen zur Formoptimierung von Stützen. In: Krawtschuk, A.; Zimmermann, T.; Strauss, A. (Hrsg.): Werkstoffe und Konstruktionen − Innovative Ansätze 2013. Festschrift zu Ehren von o.Univ.-Prof. DI Dr.techn. Dr.phil. Dr.-Ing.e.h. Konrad Bergmeister, MSc., Ernst & Sohn, 2013, S. 19−26
[3] Schmidt, A.; Curbach, M.; Henke, M.; Fischer, O.: Formvariationen von Druckgliedern. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 11, S. 792−803 − DOI: 10.1002/best.201300053
[4] Schmidt, A.; Curbach, M.: Querschnittsadaption stabförmiger Druckbauteile. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 26−35 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171350
[5] Schmidt, A.; Curbach, M.: Buckling failure of columns – with form variations to higher load capacities. 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. IASS2015-501715, 12 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick)
[6] Schmidt, A.; Curbach, M.: Zentrische Druckversuche an schlanken UHPC-Stützen. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 9, S. 588–602