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Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke



Kurzvorstellung

In den vergangenen Jahrzehnten wurden besonders aufgrund der im Vergleich zum Materialpreis hohen Kosten für Schalung und Rüstung verstärkt massive, gedrungene Betontragstrukturen mit ebenen Oberflächen und rechteckigen Geometrien erstellt, bei denen ein geringer Materialverbrauch in der Regel nur eine untergeordnete Rolle spielte. Durch die Weiterentwicklung und Erforschung des Baustoffes Beton, z. B. ultrahochfester Beton (UHPC), in Verbindung mit den nahezu beliebigen Formgebungsmöglichkeiten bestehen jedoch inzwischen grundsätzliche Möglichkeiten elegante und „leichtere“ Bauweisen auch in der breiten Anwendung zu realisieren.

Die Grundidee des Teilprojekts „Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke“ besteht deshalb darin, anstatt massiver Betontragsysteme mit meist ungleichmäßiger Materialausnutzung am Kraftfluss orientierte, filigrane, stabartige Tragwerke zu entwerfen, die sich neben der Gewichtsreduktion und einer höheren Transparenz auch durch eine bessere Ressourcennutzung auszeichnen. Dabei wird eine modulare Bauweise angestrebt, bei der die Einzelkomponenten Druckstab, vorgespannter Zugstab und Verbindungsknotenelement jeweils vorgefertigt und am Einsatzort zusammengefügt werden. Sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeitseigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit werden die Stäbe aus UHPC hergestellt sowie ausschließlich mit nichtmetallischen Elementen aus CFK bewehrt bzw. vorgespannt. Mögliche Anwendungsgebiete der Stabtragwerke liegen bei flächenhaften bzw. räumlichen Tragstrukturen, wie beispielsweise leichten Dachtragkonstruktionen, aber auch bei ebenen Fachwerken mit primär einaxialer Lastabtragung, wie z.B. bei weitgespannten Dachbindern. In der ersten Förderperiode sowie in der einjährigen Verlängerung innerhalb der zweiten Förderphase wurde bzw. wird das Hauptaugenmerk auf die Entwicklung der formoptimierten Druckstäbe und der vorgespannten Zugstäbe gelegt.

Projektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Oliver Fischer
oliver.fischer@tum.de
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Bearbeiter/in: Michael Henke M.Sc.
michael.henke@tum.de
Homepage
 
Projektlaufzeit: Förderphase 2 von 8/2015 bis 08/2016

Zielsetzung

Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton – Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfs-prinzipien“ werden im Teilprojekt „Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke“ an der Trag-wirkung orientierte, formoptimierte Druckstäbe und vorgespannte Zugstäbe entwickelt. Sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeitseigenschaften als auch auf die Dauer-haftigkeit werden die Stäbe aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC) hergestellt sowie ausschließlich mit nichtmetallischen Elementen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bewehrt bzw. vorgespannt. Durch theoretische und experimentelle Untersuchungen an den Stäben sollen Grundlagen für die zukünftige Realisierung von schlanken stabförmigen Tragstrukturen aus Beton in modularer Bauweise geschaffen werden.

Bild 1: Optimierte Stabformen für die Lagerungsfälle beidseitig gelenkig (oben) und beidseitig eingespannt (Mitte) und Normalspannungsverlauf des beidseitig gelenkig gelagerten, optimierten Stabes bei exzentrischer Belastung (unten)

Bild 2: Repräsentative Last-Längsdehnungs-Verläufe aus den statischen Kurzzeitdruckversuchen für unterschiedliche Umschnürungsdicken tw (links) und exemplarischer Versuchskörper unmittelbar nach dem Ende des Versuch (rechts)

Druckstab

Um möglichst schlanke Einzelkomponenten zu erhalten, liegt bei der Entwicklung der Druckstäbe der Forschungsschwerpunkt auf der Formoptimierung des Gesamt-stabes in Längsrichtung. Da mit zunehmender Schlankheit jedoch auch die Stabilitätsgefährdung wächst, muss beim Entwerfen einer optimalen Form gemäß dem Prinzip „form follows force“ neben einem Spannungsversagen gegebenenfalls auch ein Stabilitätsversagen berücksichtigt werden. Das Bestreben, das Lastniveau dieser beiden Versagensszenarien möglichst anzunähern, ist eine wesentliche Zielsetzung der Optimierungsstrategie, da so eine optimale Materialverteilung in Längsrichtung erzielt werden kann. Ein weiterer Aspekt, der im Rahmen der Druckstabentwicklung untersucht werden soll, ist die Erhöhung der Querschnittskapazität in hochbeanspruchten Bereichen durch eine einbetonierte Umschnürungsbewehrung. Der dadurch erzeugte günstige mehraxiale Spannungszustand ermöglicht eine schlankere Ausführung dieser Bereiche. Auf der Grundlage dieser Überlegungen wurden bzw. werden folgende theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Druckstab durchgeführt:

  • umfangreiche Formoptimierungsberechnungen für unterschiedliche Druckkräfte, Lagerungsfälle, Stablängen und Lastexzentrizitäten,
  • statische Kurzzeitdruckversuche an zylindrischen UHPC-Körpern mit einbetonierter CFK-Umschnürungsbewehrung unter Variation der Umschnürungsdicke tw,
  • Schwind- und Kriechversuche an zylindrischen UHPC-Körpern mit und ohne einbetonierte CFK-Umschnürungsbewehrung unter Variation des Belastungsniveaus,
  • Bauteilversuche an formoptimierten Druckstäben für den Lagerungsfall beidseitig gelenkig unter Variation der Stablänge, der Bewehrung und der Lastexzentrizität,
  • materiell nichtlineare FE-Berechnungen für unterschiedliche optimierte Stabformen unter Berücksichtigung der erhaltenen Versuchsergebnisse,
  • Entwicklung allgemeiner Entwurfsprinzipien und Ingenieurmodelle für formoptimierte Druckstäbe aus UHPC.

Bild 3: Formoptimierte Stäbe (links und Mitte) und zylindrischer Stab (rechts) mit identischem Volumen in der jeweils  zugehörigen gefrästen Holzschalung

Bild 4: Versuchsaufbau für Bauteilversuch (links), Vergleich von Last-Durchbiegungs-Verläufen eines formoptimierten und eines zylindrischen Stabes mit identischem Volumen und gleicher Lastexzentrizität aus Bauteilversuchen mit der zugehörigen FE-Berechnung (Mitte) und optimierter Stab nach Versuchsende (rechts)

Zugstab

Das Ziel der Forschung im Hinblick auf die Zugstäbe ist die Entwicklung von möglichst schlanken Stäben, die unter Gebrauchslasten ungerissen bleiben, um große Verformungen des Gesamttragwerks zu vermeiden. Aus diesem Grund werden die Zugstäbe planmäßig mit CFK-Stäben im sofortigen Verbund vorgespannt. Ein Hauptaugenmerk der Forschung zum Zugstab liegt im Hinblick auf eine möglichst geringe räumliche Ausdehnung der Stabwerksknotenelemente daher auf der Minimierung der Spannkrafteinleitungslänge. Auf der Grundlage dieser Überlegungen wurden bzw. werden folgende theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Zugstab durchgeführt:

  • Ausziehversuche unter Variation der Parameter Stabdurchmesser deff, Oberflächenbeschaffenheit der Stäbe, Verbundlänge, Betonalter, Betonfestigkeit fcm und Betondeckung zur Beurteilung der Verbundeigenschaften der unterschiedlichen CFK-Stäbe und ihrer Eignung zum Vorspannen im sofortigen Verbund,
  • Entwicklung einer geeigneten Verankerungsvorrichtung zum Vorspannen der CFK-Stäbe unter Berücksichtigung der Querdruckempfindlichkeit des CFKs,
  • Spannkrafteinleitungsversuche unter Variation des Stabdurchmessers deff, der Betondeckung und des Abstandes zwischen den einzelnen Spanngliedern,
  • Bauteilversuche an vorgespannten Zugstäben zur Ermittlung des nichtlinearen Verformungsverhaltens,
  • Entwicklung allgemeiner Entwurfsprinzipien für vorgespannten Zugstäbe aus UHPC.

Bild 5: CFK-Stab; v. l. o. n. r. u.: mit Quarzsandbeschichtung, mit zusätzlichem, spiralförmig angebrachtem Kunststoffband, glatt  und mit aufgeschnittenem Gewinde

Bild 6: Spannkrafteinleitungsversuch mit CFK-Stab: Detail der linken Endverankerung mit CFK-Stabende, Klemmverankerung, Kraftmessdose und Zylinder (oben rechts), Betonkörper mit Messmarken (unten) und Detail der Klemmverankerung am rechten Stabende (oben links)


Veröffentlichungen

[1] Henke, M.: Shape optimized, filigree rods out of UHPC and non-corrosive CFRP-reinforcement for variable spatial frameworks. 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. 317−321
[2] Fischer, O.; Lechner, Th.; Henke, M.: Schlanke Betontragstrukturen aus UHPC: Stabilitätsfragen, Formgebung und Verbindung der Bauteile. 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. 27−33
[3] Henke, M.; Fischer, O.: Leicht Bauen mit Beton − Räumliche filigrane Stabtragwerke aus ultrahochfestem Beton und CFK-Bewehrung. Bauingenieur 88 (2013) 11, S. 453−462
[4] 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
[5] Henke, M.; Fischer, O.: DFG-Schwerpunktprogramm "Leicht Bauen mit Beton" − theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Verwendung neuartiger Materialien für stabförmige Tragglieder. Tagungsband Münchener Massivbauseminar 2013, S. 29−37
[6] Henke, M.; Fischer, O.: Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 48−59 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171370
[7] Henke, M.; Fischer, O.: Shape optimized struts made of UHPC. 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. IASS2015-523963, 12 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick)