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Hegger - Sandwichbauelemente

Gefaltete und gekrümmte Sandwichbauteile aus Hochleistungswerkstoffen für weitgespannte Dachelemente – Erkenntnistransfer-Projekt


Kurzvorstellung

Sandwichkonstruktionen mit Betondeckschichten aus korrosionsresistenten Hochleistungswerkstoffen ermöglichen die Realisierung leichter, nachhaltiger und integraler Bauwerke mit einer an den Kräfteverlauf angepassten Tragstruktur. Die Schalenkonstruktionen des frühen 20. Jahrhunderts zählten zur Gruppe der monofunktionalen Bauteile, belegen jedoch das Potential der Schalenbauweise hinsichtlich Tragfähigkeit und Schlankheit. Durch die Kombination von Schalen- und Sandwichkonstruktionen entstehen mit dem Prinzip der Funktionsaddition Tragstrukturen mit einem geringen Ressourcenverbrauch, hoher Energieeffizienz und Modularität, die auch Anforderungen an Schall- und Brandschutz erfüllen.

Im Rahmen des SPP 1542 der DFG wurden im TP „Hegger Sandwich“ grundlegende Untersuchungen zur Umsetzung von vorgespannten Sandwich-Faltwerkträgern und doppelt-gekrümmten Sandwichträgern untersucht. Neben der Entwicklung einer wiederverwendbaren CFK-Spannverankerung wurde das Verbundverhalten von CFK-Spannbewehrungen in Hochleistungsbeton charakterisiert und Mindestdicken zur rissfreien Spannkrafteinleitung bestimmt. Mit Modellversuchen unter Zug- und Schubbelastung konnte das Potential von eingeschäumten Kernschichten gezeigt werden. Bauteilversuche unter kurzzeitiger Beanspruchung an vorgespannten gefalteten und doppelt-gekrümmten Einzelschalenträgern sowie Sandwichschalenträgern mit Längen bis 4 m verdeutlichten bereits die Leistungsfähigkeit dieser Bauform.

Das Ziel des Transferprojekts ist in Kooperation mit den Industriepartnern praxisgerechte Herstelltechniken zu entwickeln und die Grundlagen für weitspannende Sandwichbauteile mit Deckschichten aus dünnwandigen Shedträgern und doppelt-gekrümmten Schalenträgern zu schaffen. Dazu sollen Entwürfe von Dachsystemen mit mittleren und großen Spannweiten mithilfe von nichtlinearen FE-Modellen erarbeitet werden. Im nächsten Schritt wird eine CFK-Spanntechnik für die Anwendung im Fertigteilwerk erarbeitet. Für die dünnwandigen gefalteten und gekrümmten Deckschichten werden textile CFK-Bewehrungen entworfen und Schalungssysteme entwickelt. Zur Fügung der großformatigen Deckschichten wird eine Methode zum Einschäumen von Polyurethan erarbeitet. Die Verbundsicherung der Betondeckschichten soll mit punkt- und linienförmigen Verbindungsmitteln erprobt werden, die auch zur Aufnahme des Drucks auf die Betondeckschichten infolge Ausschäumen geeignet sind. In numerischen Simulationen sowie Modell- und Bauteilversuchen werden Schalengeometrien und Materialkombinationen (UHPC, TRC, PUR, Verbundmittel, CFK-Vorspannung) so variiert, dass eine materialeffiziente Tragwirkung nach dem Prinzip „form follows force“ erreicht wird. Aufbauend auf einer Beschreibung der einzelnen Tragmechanismen werden Ingenieurmodelle für gefaltete und gekrümmte Sandwichträger hergeleitet, die das Tragverhalten unter Kurz- und Langzeitbelastung beschreiben.

Abb. 1: Beispielentwürfe von Sheddach- und HP-Sandwichkonstruktionen

 

Projektleiter/Antragsteller:

Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
jhegger@imb.rwth-aachen.de
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SPP-Teilprojekt:

Sandwichkonstruktionen aus dünnen gefalteten und gekrümmten Betondeckschichten

Bearbeiter:

Dr.-Ing. Alexander Stark
astark@imb.rwth-aachen.de
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Ann-Christine von der Heid, M.Eng.
avonderheid@imb.rwth-aachen.de
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Partner:

BASF SE, Mannheim

BASF Nederland B.V., Boxtel

Benno Drössler GmbH & Co Bauunternehmung KG, Siegen

FTA Forschungsgesellschaft für Textiltechnik Albstadt mbH

Projektlaufzeit:

10/2017 bis 09/2019