Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton - DAfStb...Ultrahochfester Faserbeton UHPFRC = Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete Verwendung von Feinstoffen mit gleichzeitig

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4. Jahrestagung des DAfStb – Braunschweig – 16. und 17. November 2016

Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton

Vincent Oettel

Technische Universität Braunschweig, iBMB, Fachgebiet Massivbau

16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 2

0,0

4,0

8,0

12,0

16,0

20,0

24,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Bie

ge

zu

gfe

sti

gk

eit

fc

fl

[N/m

m²]

Mittendurchbiegung δ [mm]

C30/37 1,25 Vol.-% 2,50 Vol.-%

F/2F/2

δ

C150 mit 2,50 Vol.-%

C150 mit 1,25 Vol.-%

C30/37 mit 0,00 Vol.-%

Ultrahochfester Faserbeton

UHPFRC = Ultra High Performance Fibre

Reinforced Concrete

Verwendung von Feinstoffen mit gleichzeitig

niedrigem Wasser-Bindemittel-Wert

• Sehr hohe Druckfestigkeit

• Sehr hohe Dauerhaftigkeit

• Sehr hohe Verbundfestigkeit

Zugabe von Stahlfasern für die Robustheit

• Hochfeste Mikrostahldrahtfasern

• Üblich: lf / df = 13,0 / 0,19 mm

• Fasergehalt bis zu 2,50 Vol.-% (= 196 kg/m³)

• Hohe Nachrisszugfestigkeit

0,0

25,0

50,0

75,0

100,0

125,0

150,0

175,0

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

Dru

ck

sp

an

nu

ng

σ[N

/mm

²]

Dehnung ε [‰]

0,00 Vol.-%

1,25 Vol.-%

1,50 Vol.-%

C30/37

C150


Segmentbau

Zusammenspannen von Segmenten auf der

Baustelle zu Tragwerken wie z. B.:

• Brückenüberbau

• Brückenpfeiler

• Fertigteilmasten

Vorteile der Segmentbauweise:

• Kurze witterungsunabhängige Errichtung

• Hohe Ausführungsqualität

• Einfache Rückbaubarkeit der Tragwerke

Durch die Verwendung von UHPFRC können

• dünnwandige,

• materialeffiziente,

• gewichtsoptimierte und

• transportgerechte

Segmente hergestellt werden.

Quelle: VSL International Ltd.

Quelle: VSL International Ltd.


UHPFRC-Segmentfugen

Untersuchungen zur Tragfähigkeit der

schub- und druckbeanspruchten

UHPFRC-Segmentfugen

Versuchskörper in Anlehnung an einen

Ausschnitt einer Druckstrebe im Bereich

einer Segmentfuge

Prismatischer Versuchskörper

15 / 15 / 60 cm

Um variablen Druckstrebenneigungswinkel

zu simulieren, Fugenneigung α von

0°, 20°, 30°, 50°, 55° und 60°

Feinprofilierte, trapezförmige Trockenfuge

Feinkorn-UHPFRC mit 2,5 Vol.-%

Stahlfasern und fcm ≥ 150 MN/m²

Fugenprofilierung:


UHPFRC-Segmentfugen

Herstellung der Versuchskörper mit dem Kontaktverfahren („Match-Cast-Verfahren“)

Zwei Betonierabschnitte mit einem Betonierabstand von einem Tag

Trennung der beiden Betonierabschnitte mittels Schalöl


UHPFRC-Segmentfugen

Aufnahme des Versagens mit Hochgeschwindigkeitskamera – Versuchskörper mit α = 55°


UHPFRC-Segmentfugen

Versagen der Schub-Druck-Versuchskörper in Abhängigkeit der Fugenneigung

α ≤ 30° Druckbruch Versagen des Betons unbeeinflusst von der Fuge

α ≥ 50° Gleitbruch Versagen der Verzahnung durch Abscheren

α = 20° α = 20° α = 60° α = 60°


αcrit = 42,7° VM-IVV0-II

V20-II V20-III

V30-V

V50-IIV50-III

V55-V

V60-II

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

bez

oge

ne

Sch

ub

sp. τ b

ez

[-]

bezogene Normalspannung σn,bez [-]

y = 0,65x + 0,15R² = 0,98

UHPFRC-Segmentfugen

Auswertung der Versuchsergebnisse

als Schub-Druck-Diagramm:

• MOHR’scher Grenzspannungskreis

• COULOMB’sche Bruchgerade

Ab kritischem Winkel αcrit = 42,7° wird

die Fuge für das Versagen maßgebend

Bemessungsansatz für feinprofilierte

UHPFRC-Trockenfugen aufbauend auf

der Formulierung von SPECKER

𝑣Ri = 𝜇 ∙ 𝜎n + 𝑓 ∙ 𝑓c ∙𝐴Nocke𝐴Fuge

Anteil Reibung Anteil Fugenprofilierung

(𝜇 = 0,65) (𝑓 = 0,19)


UHPFRC-Balken

DFG-Forschungsvorhaben innerhalb

SPP 1182 „Nachhaltiges Bauen mit ultra-

hochfestem Beton“

„Monolithische Balken und vorgespannte

Segmentbauteile aus UHPC unter Torsions-

und kombinierter Biege-, Querkraft- und

Torsionsbeanspruchung“

Versuchsserien

• Zugstrebentragfähigkeit unter reiner

Torsion (V0 – V5)

• Druckstrebentragfähigkeit unter reiner

Torsion (V6 – V8)

• Druckstrebentragfähigkeit unter

kombinierter Beanspruchung (V9 & V10)


UHPFRC-Balken

Untersuchungen an drei monolithischen und zwei segmentären Balken


UHPFRC-Balken

Herstellung mit modifiziertem Kontaktverfahren im Fertigteilwerk Rekers (Spelle)


UHPFRC-Balken

Anlieferung der einzelnen Segmente und Zusammenspannen zu einem Balken


UHPFRC-Balken

Vorspannung

• Externes Spannglied

Biegemoment und Querkraft

• Einzellast in Feldmitte

Torsionsmoment

• Belastungsrahmen mit Zugpresse

an beiden Auflagern

Auflager

• Festes Kipp- und Torsionslager

• Bewegliches Kipp- und

Torsionslager


UHPFRC-Balken

e = 1,50 m

F


UHPFRC-Balken

Rissbilder im Bruchzustand – Versuche unter reiner Torsionsbeanspruchung

V6 Monolithischer Balken

V8 Segmentbalken


V8 Trockenfuge nach Versuch


0

100

200

300

400

500

600

700

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Tors

ion

smo

me

nt T

[kN

m]

Verdrillung u [°/m]

V6 V7 V8

𝑇Rd ,max =𝜈T ∙ 𝑓cd ∙ 𝑡ef ∙ 2 ∙ 𝐴k

cot 𝜃 + tan𝜃

UHPFRC-Balken

Last-Verformungs-Kurven ähneln denen eines

konventionell bewehrten Balkens aus

Normalbeton

Gilt auch für den Segmentbalken, wenn die

Trockenfugen bis zum Erreichen der Traglast

vollständig überdrückt bleiben

Druckstrebe entsprechend räumlichem

Fachwerkmodell nach EC2/NA

𝜈T = 0,525 ∙ 1,1 − 𝑓ck 500

Abminderungsbeiwert für UHPFRC kann durch

lineare Extrapolation des Abminderungs-

beiwerts von hochfestem Beton nach EC2/NA

bestimmt werden kann

V6V7

V8

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200A

bm

ind

eru

ngs

be

iwe

rt ν

T[-

]

Betondruckfestigkeit fcm [N/mm²]

MC 90 EC2 EC2/NA Zedler


UHPFRC-Balken

Rissbilder im Bruchzustand – Versuche unter kombinierter Beanspruchung


V10 Segmentbalken

V10 Übersicht

V10 Trockenfuge nach Versuch


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Q

ue

rkra

ft V

[kN

]

Mittendurchbiegung v [mm]

V9

V10

0

100

200

300

400

500

600

700

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Tors

ion

smo

me

nt T

[kN

m]

Verdrillung u [°/m]

V9

V10

UHPFRC-Balken

Last-Verformungs-Kurven ähneln denen eines

konventionell bewehrten Balkens aus

Normalbeton

Gilt auch für den Segmentbalken, wenn die

Trockenfugen bis zum Erreichen der Traglast

vollständig überdrückt bleiben


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Ve

rhäl

tnis

Tu

,exp

/TR

k,m

ax[-

]

Verhältnis Vu,exp/VRk,max [-]

V6

V7

V8

V9

V10

UHPFRC-Balken

Bei kombinierter T- und V-Beanspruchung

wird von einer Überlagerung der

Fachwerkmodelle ausgegangen

Nach EC2/NA erfolgt die Überlagerung der

Fachwerkmodelle über eine lineare

Interaktionsbedingung

𝑇Ed𝑇Rd ,max

+𝑉Ed

𝑉Rd ,max≤ 1,0

Lineare Interaktionsbedingung gilt in guter

Näherung auch für UHPFRC, falls die

Abminderungsbeiwerte für hochfesten Beton

nach EC2/NA verwendet und linear

extrapoliert werden


Zusammenfassung

Segmentbau in Verbindung mit UHPFRC stellt eine

zukunftsträchtige Bauweise dar

Fugentragfähigkeit von feinprofilierten UHPFRC-

Trockenfugen wurde an Kleinkörpern untersucht und

ein Bemessungsansatz aufgestellt

Untersuchungen zum Trag- und Verformungs-

verhalten von extern vorgespannten Hohlkästen in

monolithischer und segmentärer Bauweise ergab:

• UHPFRC-Balken haben ein ähnliches Verhalten

wie monolithische Balken aus Normalbeton

• UHPFRC-Segmentbalken verhalten sich wie

monolithische UHPFRC-Balken, wenn die Fugen

bis zur Traglast überdrückt bleiben

• Bekannte Fachwerkmodelle können auch für

UHPFRC benutzt werden, wenn die

Abminderungsbeiwerte für hochfesten Beton

linear extrapoliert werden


Ende

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Vielen Dank für die Unterstützung:

Dr.-Ing. Vincent Oettel

mail: [email protected]

Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

mail: [email protected]

DFG Schwerpunktprogramm SPP1182

Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton

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