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Untersuchungen zu Trageigenschaften von plattenförmigen Betonleichtbauelementen in CC-Technologie



Der Name CC-Technologie steht für Cross-Channel-Technologie und beschreibt die geometrische Besonderheit dieser plattenförmigen Elemente: im Inneren kreuzen sich in regelmäßigen Abständen röhrenförmige Kanäle. Diese planmäßigen Aushöhlungen führen zur Gewichtseinsparung gegenüber Platten aus vergleichbarem Vollmaterial gleicher Dicke. Die Herstellung erfolgt bei der Produktion von Röhrenspanplatten aufgrund der komplexen inneren Geometrie bislang durch das Zusammensetzen zweier Plattenhälften. An den sich kreuzenden Halbkanälen entstehen regelmäßig wiederkehrende Kontaktflächen. In der Regel werden die beiden Hälften an den Kontaktflächen bzw. Stempeln durch Verklebung miteinander verbunden. Die Übertragung dieser Herstellungstechnologie auf Betonplatten bietet ein enormes Potential z. B. für leichte Fassaden-, Decken- oder Wandelemente aus Beton.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die systematische Untersuchung der Tragfähigkeit von CC-Platten aus Feinbeton zur Herstellung von Fassadenplatten bzw. Normalbeton zur Herstellung von Decken- und Wandplatten. Geprüft werden soll der Einsatz der Platten mit und ohne Bewehrung sowie unterschiedlichen Geometrien, wie z. B. Lochöffnungen und Stegdicken.

Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Jäger
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Bearbeiter/in:
Dipl.-Ing. (FH) M. Eng. Jürgen Ries
juergen.ries@mailbox.tu-dresden.de
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Dr.-Ing. habil. Sebastian Ortlepp (bis 03/2015)
Projektlaufzeit:
von 10/2014 bis 09/2017

Allgemein

Die Herstellung von Stahlbeton erfordert einen hohen Energie- und Ressourceneinsatz, vor allem im Bereich der Zement- und Stahlproduktion. Stahlbetonbauteile sind gekennzeichnet durch hohe Traglasten aber auch durch hohe Eigengewichte. Auch in Bereichen mit sehr geringer statischer Belastung ist der schwere Baustoff Beton verbaut, das Bauteil erzeugt einen großen Anteil der Traglasten durch sein eigenes Gewicht. Ziel dieses Projektes ist die Reduzierung des Eigengewichts tragfähiger Betonbauteile durch den Einbau von Hohlräumen in orthogonaler Anordnung (Cross-Channel-Verfahren). Durch die kreuzweise Anordnung der Hohlräume entsteht eine neuartige, sehr leichte Tragstruktur bestehend aus zwei punktuell verbundenen Layern. Die Entwicklung dieser Tragstruktur richtet sich nach der Bauteilbeanspruchung (form follows force), Vorbilder solcher Tragstrukturen bietet die Natur zur Genüge (Fachbereich Bionik). Die notwendigen Schalungselemente für die Herstellung sollen möglichst oft wiederverwendet werden können. Auch am Ende des Lebenszyklus eines Bauwerks sollen die leichten Tragstrukturen demontiert und wiederverwendet werden können.

Die Vorteile der Gewichtsreduzierung von Deckenplatten durch den Einbau von Hohlräumen wurden schon vor langer Zeit erkannt. Die Hohlräume wurden z. B. bei der Stahlsteindecke durch Formsteine aus Ziegel realisiert, diese Ausführungsart ist abgewandelt auch heute noch gebräuchlich (Ziegeldecken). Mit dem Aufkommen der Stahlbetonbauweise bzw. der Spannbetonbauweise konnte man nun größere Spannweiten mit einachsig gespannten Decken erreichen. Als zweiachsig gespanntes Hohlraumsystem existiert seit ca. 10 Jahren eine einzige Deckenart der Fa. Cobiax, hier werden die Hohlräume in Kugelform realisiert.

Um die Effizienz der zweiachsigen Lastabtragung im Bereich der Hohlraumdecken in größerem Maßstab nutzen zu können, ist die Aufgabenstellung dieser Arbeit die Entwicklung einer neuen Form der zweiachsig gespannten Hohlraumdecke – die sog. Kreuzkanaldecke. Diese Deckenart ist geprägt von linienförmigen, in beiden Achsrichtungen orthogonal zueinander verlaufenden Hohlräumen bzw. Kanälen. Die Decke besteht somit nur noch aus einer oberen und einer unteren Schale, welche punktuell über die verbleibenden Stempel miteinander verbunden sind.

Das Ziel dieser neuen Konstruktion ist die Gewichtsminimierung bei ausreichender Tragfähigkeit, was letztendlich zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs an Energie und Material – vornehmlich des energieaufwändigen Baustoffs Zement – führen wird.

Voruntersuchungen

Die Voruntersuchungen bezüglich der Bereiche Statik, Geometrie und Material waren als Basis für die weiteren Studien unerlässlich. Als maßgebendes Kriterium für die Beanspruchbarkeit von Beton kristallisierte sich die Wirkung der Hauptzugspannung S1 in Kombination mit S2 und S3 im dreidimensionalen Raum heraus, wobei der Einfluss von S2 und S3 im ersten Durchlauf der Parameterstudie vernachlässigt wurde. Weiterhin wurde die vierseitig eingespannte Deckenplatte aufgrund ihrer Relevanz in der Praxis als zu untersuchendes statisches System identifiziert. Bei den ersten Rechnungen konnte die innere Beanspruchung durch die Anordnung der Hohlräume in weniger belasteten Bereichen reduziert werden; die genaue Lage der Hohlräume wurde später im Zuge der Parameterstudie ermittelt. Zusätzlich zur Lage der Hohlräume wurde auch kurz die Form der Hohlräume betrachtet. Auch durch die Wahl der richtigen Hohlraumform können die inneren Beanspruchungen minimiert werden. In Bereichen mit reiner Momentenbeanspruchung stellte sich die „liegende Ellipse“ als vorteilhaft heraus, in Bereichen mit reiner Querkraftbeanspruchung war die „stehende Ellipse“ im Vorteil. Diese beiden Beanspruchungsarten kommen so isoliert voneinander normalerweise nur punktuell am Tragwerk vor, die Überlagerung beider Beanspruchungsarten stellt den Regelfall dar. Die optimale Hohlraumform hängt vom Verhältnis von Biege- und Schubbeanspruchung ab, was eine ständig wechselnde Hohlraumform bedeuten würde. In der durchgeführten Parameterstudie wurde deshalb aus Gründen der praktischen Umsetzbarkeit der Kreis als Querschnittsform gewählt. Schließlich wurden noch die Frage der Materialwahl näher betrachtet sowie grundsätzliche Erkenntnisse zur Durchführung und Ergebnisbewertung von Finite-Element-Berechnungen erarbeitet.

Parameterstudie (linear-elastisch)

Zu Beginn der Parameterstudie war zunächst zu klären, welche Parameter in welchen Bereichen variiert werden sollen. Die zu variierenden Parameter bestimmen einerseits die Geometrie der Deckenplatte und andererseits das Materialverhalten (E-Moduln). Zur Gewichtsminimierung wurden die Deckenstärken von 16, 18 und 20 cm und die lichten Röhrenabstände mit 5, 8 und 10 cm minimal möglich gewählt sowie die Röhrendurchmesser mit 6, 8 und 10 cm maximiert. Um die Anwendung konventioneller Betonstahlmatten zur ermöglichen, wurde die Überdeckung der Röhren mit 5 cm gewählt. Es wurden verschiedene Auflagersituationen, Wandmaterialien (Beton, Mauerwerk) und Einspanngrade modelliert. Die äußere Last in Form der Verkehrslast wurde für den Bereich Wohnen/Büro mit 3,0 kN/m² gewählt, die Spannweiten der Deckenplatten wurden zwischen 3 und 7 m festgelegt. Der E-Modul des Deckenbetons wurde mit einheitlich 30.000 MPa fixiert. Es wurden somit für fünf verschiedene Spannweiten, drei Deckenstärken mit zugehörigen Röhrendurchmessern, drei lichte Röhrenabstände, drei E-Moduln-Wand sowie die Hohlraumlage variiert, was im nächsten Absatz erläutert wird.

Die Minimierung des Eigengewichts von Deckenplatten steht in Konkurrenz zur inneren Beanspruchung der Konstruktion. Durch die Schaffung von Hohlräumen reduziert man die Kubatur der tragenden Konstruktion und erhöht hierdurch die Belastung der verbleibenden Tragstruktur. Um dies zu vermeiden wurde im Rahmen der durchgeführten Studien versucht, die Hohlräume nur in weniger belasteten Bereichen der Tragstruktur anzuordnen. Die auflagernahen Bereiche kristallisierten sich, sowohl durch Biege- als auch durch Schubbeanspruchung, als hochbelastet heraus. Genau diese hochbelasteten Bereiche sind im Ergebnis der durchgeführten Parameterstudie ohne Längsröhren auszuführen; es wurde ein optimaler Randabstand ermittelt, bei dem sich ein optimales Verhältnis zwischen Eigengewicht und innerer Beanspruchung einstellt. Dieser längsröhrenfreie Randstreifen liegt in der äußeren Hälfte der Stützmomente entlang der Linienlager bzw. die Anordnung der ersten Längsröhre erfolgt in der zweiten Hälfte des Stützmomentverlaufs. Die äußeren Längsröhren stellten sich aufgrund des Steifigkeitssprungs zwischen Randstreifen und innerem Bereich der Kreuzkanäle als hochbelastet heraus, hier konnten regelmäßig die maximalen Zugspannungen festgestellt werden. Die Beseitigung dieser Schwachstelle der Kreuzkanalplatten stellt eine noch zu lösende Herausforderung dar.

Der Steifigkeitsübergang zwischen Randröhre und Randstreifen wurde mathematisch optimiert. Bei einer Reduzierung des Randröhrendurchmessers auf ca. 2/3 des regulären Röhrendurchmessers erfolgt ein linearer Übergang der Steifigkeiten des Innenbereiches zum Randstreifen; bei nachfolgenden Simulationen konnte man die Verlagerung der Spannungspeaks von der Randröhre weg zu den weniger kritischen, bewehrten Bereichen, beobachten.

Materialfindung und Materialparameter (Kleinkörperversuche)

Die experimentellen Untersuchungen beinhalteten bisher sog. „Kleinkörperversuche“, mit Hilfe derer die Eigenschaften des Materials erfasst werden sollen. Beton wird heute in sehr vielen Varianten verbaut, in den letzten zwanzig Jahren hat sich vor allem der Einsatz von Zementklinker-Ersatzstoffen, z.B. Flugasche und Hüttensand, stark etabliert. Diese Abfallstoffe entstehen in Braunkohlekraftwerken bzw. bei der Stahlerzeugung und verleihen dem Beton bessere Eigenschaften; außerdem wird durch den verringerten Zementklinkeranteil die CO2-Belastung der Umwelt signifikant reduziert.

Im ersten Schritt stand somit die Frage der Materialwahl im Raum. Nach dem Grundsatz „minimaler Materialeinsatz bei maximaler Duktilität“ fiel die Wahl auf einen Normalbeton mit hohem Ersatzstoffanteil; zur Verbesserung der Duktilität bzw. zur besseren Verteilung der Risse, speziell in den unbewehrten Bereichen im mittleren Deckendrittel (Stempel), wurde der Einsatz eines Fasercocktails bestehend aus Stahlfasern (DE25/0,5N) und Kunststoffasern aus Polypropylen (PM12/18) getestet. Die Messung der Duktilität erfolgte gemäß der Richtlinie Stahlfaserbeton des „Deutschen Ausschusses für Stahlbeton“ im weggeregelten Vierpunktversuch. Für die Materialwahl kristallisierten sich schnell die für die filigrane Deckengeometrie notwendigen Frischbetoneigenschaften heraus; angestrebt wurde fortan ein Ausbreitmaß von 60cm. Die Faseroberfläche, vor allem der mit 12µm sehr dünnen Kunststoffasern, beeinflusste die Verarbeitbarkeit des Frischbeton erheblich. Pro Materialvariante wurden je 3 Biegebalken im weggeregelten Vierpunktversuch geprüft, insgesamt 24 Einzelversuche an 8 Varianten. Die Auswertung der Kraft-Weg-Diagramme ergab für jede Materialvariante ein aus drei Kurven bestehendes Kurvenband. Die vertikale Lage der Kurven korreliert mit der Lage des entstehenden Hauptrisses, ein Riss in Feldmitte ergibt jeweils die unterste der drei Kurven. Die Risse entstanden durchgehend im mittleren Drittel des Balkens zwischen den beiden Lasteinleitungen. Im Ergebnis zeigte sich kein Optimum – Duktilität und Fasergehalt verhalten sich proportional zueinander oder anders ausgedrückt: viel Duktilität erfordert viel Ressourceneinsatz. Das Hauptziel dieses Projektes ist die Ressourcenschonung, deshalb fiel die Entscheidung letztendlich auf einen C30/37 als „leicht verdichtbarer Beton“ mit 0,5 kg/m³ PP-Fasern und 25 kg/m³ Stahlfasern - der geringe Anteil an PP-Fasern wurde aufgrund der positiven Erfahrungen im Tunnelbau (Brandschutz) in der Mischung belassen. Mit dieser gewählten Vorzugsmischung wurden anschließend an jeweils mindestens 6 Prüfstücken die Werte für Druck-, Spaltzug-, Biegezugfestigkeit, zentrische Zugfestigkeit (Abb. 1), E-Modul und Querdehnzahl ermittelt und statistisch ausgewertet.

Abb. 1: „Zugknochen“ für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit – bereits erkennbar ist die Struktur der Deckenkonstruktion mit Längs- und Querkanälen

Beanspruchbarkeit

Die Problematik bei den Kleinkörperversuchen zur Zug- und Druckfestigkeit liegt darin, dass im Bereich der Lasteinleitung ein dreidimensionaler Spannungszustand herrscht. Die Festigkeiten sollen aber für den einaxialen Spannungszustand ermittelt werden – Abhilfe schafft hier ein ausreichender Abstand der Lasteinleitung vom Versagensort (Schlankheit) oder die Verwendung von Belastungsbürsten. Als originäre Versagensursache aller Festigkeiten wurde die (Quer-)Zugfestigkeit identifiziert – die einzige Festigkeit, welche nicht in den Normen aufgenommen wurde und gleichzeitig der wichtigste Kennwert der Beanspruchbarkeit.

Das Versagenskriterium nach Mohr-Coulomb hat seinen Ursprung im Bereich der Geotechnik, deshalb gibt es hier auch die Eingangsparameter der Kohäsion C und des inneren Reibungswinkel ϕ. Bei Anwendung auf Beton verwendet man die experimentell ermittelten Eingangsparameter der einaxialen Druck- und Zugfestigkeit (fc und fct), über diese errechnet sich dann die Lage der Bruchgeraden – C und ϕ lassen sich für Beton nicht experimentell ermitteln und stellen somit rein theoretische Werte dar.

Abb. 2: Geometrische Konstruktion der Versagenskurve unter Verwendung von Kreisbogen, Ellipsensegment und Gerade

Im Zug-Druck-Bereich lautet die Interaktionsbedingung analog Gl. (1). Die Grenzbedingungen lassen sich über eine Erhöhung der Beanspruchung (Vergleichsspannung, Gl. (2)) oder eine Reduzierung der Beanspruchbarkeit (zweiaxiale Zugfestigkeit, Gl. (3)) formulieren.

(1)

(2)

(3)

Der zweidimensionale Spannungszustand im σ13-Raum wurde geometrisch unter Verwendung von Kreis, Ellipse und Gerade nachgebildet (Abb.2). Im Druckbereich liegt der Mittelpunkt von Kreis und Ellipse bei (-fc/2; -fc/2), die Ellipsensegmente haben die Parameter a nach Gl. (4) und b nach Gl. (5), die Kreisbögen einen Radius r nach Gl. (6). Die Gleichungen (7) bzw. (8) beschreiben die Ellipsensegmente der beiden Zug-Druck-Bereiche.

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Wenn diese zweidimensionale Versagenskurve um die Raumachse (hydrostatische Achse) rotiert wird, entsteht ein rotationssymetrischer Versagenskörper (ähnlich dem Drucker-Prager-Kegel), welcher in der Deviatorebene immer einen Kreis als Schnittbild liefert. Beton zeigte im Experiment jedoch in der Deviatorebene eine von σm abhängige, wechselnde Form vom Kreis bis zum gleichseitigen Dreieck.

Die Raumachse wurde auf allen drei Achsen um den gleichen Abstand versetzt, so dass die Versagenskurve nun durch Rotation um diese drei Achsen einen neuen Versagenskörper bildeten – dieser ist dem experimentell ermittelten schon wesentlich ähnlicher. Grundsätzlich bedeutet eine Abweichung von der Kreisform in der Deviatorebene eine stärkere Anisotropie, eine heterogeneren Werkstoff. Es bleibt zu klären, welche Bedeutung die parallelen Drehachsen bzw. der Trägheitsradius im Zusammenhang mit der Gestalt des Versagenskörpers haben – der Kreis hat im Vergleich zu anderen geometrischen Formen den minimal möglichen Trägheitsradius. In der Deviatorebene (normal zur hydrostatischen Achse) charakterisiert der Kreis (Drucker-Prager, von Mises) einen duktilen, isotropen Werkstoff, wohingegen das gleichseitige Dreieck (Rankine) für einen spröden, anisotropen Werkstoff steht. Das Versagen definiert sich durch das Erreichen der Deviatorspannung (Abstand von der hydrostatischen Achse) bei gegebener hydrostatischer Spannung σm (Lage auf der hydrostatischen Achse) und gegebenem Lodewinkel (Winkel in der Deviatorebene).

In Bezug auf die Steifigkeitsdegradation wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Flächenentwicklung (Integral mit variabler linker Grenze) unter der experimentell ermittelten Kraft-Weg-Kurve die Reduktion der Steifigkeit widerspiegelt. Der Nachweis der Richtigkeit dieser Hypothese ist noch zu erbringen.

Herstellungstechnologie

Bezüglich der Herstellungstechnologie wurden die beiden Möglichkeiten Fabrikproduktion im Fertigteilwerk und Baustellenproduktion innerhalb einer Entscheidungsmatrix untersucht.

Die Herstellung aus zwei verklebten Halbschalen ist nur im Fertigteilwerk machbar, es ergaben sich jedoch auch zahlreiche Nachteile. Eine Vollmontagedecke kann aufgrund des notwendigen Transportes nur in begrenzten Abmessungen produziert werden, die übliche Breite beträgt 2–2,5m. Mit Vollmontagesystemen lassen sich somit nur weniger effektive, einaxial gespannte Einfeldsysteme realisieren – dies hat einen Mehrverbrauch von Beton und Stahl zur Folge. Ein weiterer großer Nachteil ist die fehlende „Vernähung“ der verklebten Halbschalen – notwendig hauptsächlich für die Aufnahme des auftretenden Längsschubs entlang der Linienlager. Das fehlende wirtschaftliche Interesse von Fertigteilwerken an leichten Konstruktionen macht einen Erfolg dieser Konstruktion zumindest zweifelhaft.

Eine Variante wäre die Herstellung im Fertigteilwerk aus einem Guss durch die Verwendung von Füllkörpern (verlorene Schalung, Abb. 3). Der Einbau einer Schubbewehrung ist nun möglich, jedoch verbleiben die oben aufgeführten Nachteile der einaxial gespannten Einfeldsysteme und des fehlenden wirtschaftlichen Interesses der Hersteller.

Abb. 3: Erste Testexemplare der Füllkörper, aus PP-Schaum gefertigt

Die Variante mit den wenigsten Nachteilen stellt die Baustellenproduktion mittels Halbfertigteilen und Füllkörpern dar. Mehrfeldsysteme mit zumindest teilweise zweiachsigem Lastabtrag sind möglich. Der Bauherr hat ein großes (ökonomisches und ökologisches) Interesse an der Einsparung von Beton und Stahl. Die Füllkörper sollten deshalb aus einem nachhaltigen Recyclingmaterial bestehen, diese können evtl. auch die verminderte Luftschalldämmung der Hohlraumkonstruktion verbessern. Die Entwicklung eines geeigneten Füllkörpers stellt somit das nächste Etappenziel dar. Ein noch ungelöstes Problem stellt die Betonverdichtung der filigranen Geometrie in Verbindung mit den Betonstahlmatten dar. Mit den üblichen Flaschenrüttlern dürfte dies zumindest problematisch werden, der Einsatz von Schalungsrüttlern in Verbindung mit Halbfertigteilen ist auch fraglich. Selbstverdichtender Beton kommt aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten nicht in Frage. Ein in Entwicklung befindlicher Ansatz hierzu ist der Einsatz eines Betonentlüfters/Vorverdichters (TU Innsbruck).

Studentische Arbeiten in Förderphase 2

[a] Rohmann, M.: CC-Technologie. Wissenschaftliche Arbeit, TU Dresden, Fakultät Architektur, 2013