Multimaterielle modulare Tübbingsysteme für einen adaptiven, robusten Tunnelausbau

Projektleiter:Breitenbücher,

Mark

Sonderforschungsbereich 837

Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau

RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM

Inte

rakt

ione

n

A5 Gebirgs-Bauwerksinteraktion

B2 Interaktive Entwicklung von Materialdesigns,Struktur-Material-Gesamtinteraktion

B3 Interaktion zwischen Kompressionsschicht und stauchungsfähigem Ringspaltmörtel

C3 Randbedingungen des Vortriebs

C1 Integration des Designs in globale Verformungs- und Spannungsszenarien am Gesamtmodell & Echtzeitsimulation

D1 Berücksichtigung des Ausbausystems bei Bewertung der Trassenführung

D3 Berücksichtigung des Ausbausystems beider Schadensanalyse der oberirdischen Bestandsbebauung und Rückkopplungzulässiger Verformungsgrenzen

Multimaterielle modulare Tübbingsysteme für einen adaptiven, robusten Tunnelausbau

Projektleiter:Breitenbücher,

Mark

Sonderforschungsbereich 837

Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau

RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM

Publ

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Normalbeton

FertigteilHochleistungs-

faserbeton

Entwicklung eines multimateriellen Tübbingausbausmit Kompressionsschichten

• Ebenenübergreifendes, robustes Design

• Entwicklung geeigneter Einbauteile/Fertigungstechniken

• Optimierung von Material und Verbundfugen

• Sensitivitätsanalysen und Robustheitsnachweise

Fertigungstechniken („frisch-an-fest“/„frisch-in-frisch“)

Verbesserung des Tübbingausbaus mittels adaptiver, robuster Designs

• Weiterentwicklung und Modularisierung hybrider Tübbingsysteme inkl. spezifischer Herstellprozesse im Realmaßstab

• Entwicklung von multimateriellen Mehrschichtsystemen zur Kompensation erhöhter Gebirgsverformungen (bis 20 cm)

• Experimentelle Nachweise auf Material-und Bauteilebene

• Verifikation der Leistungsfähigkeit im Realmaßstab (Großversuche mit Tübbings)

Entwicklung optimierter, hybrider Tübbingsysteme

Ganzheitliche Optimierung von Tübbings (Material, Bauteil, System, Prozess)• Verbesserung des Tunnelausbaus bzgl. Sicherheit, Robustheit und Dauerhaftigkeit • Modularisiertes Serienbauteil Tübbing: adaptiv im Vortriebsprozess anpassbar• Erweiterung der Einsatzfähigkeit für Tübbings bei erhöhten Gebirgsverformungen

Teilziele Phase III:

Teilziele Phase II:

Schädigungen aus Bauzuständen Verformungskompensation

Optimierter EntwurfMikro-bew.

SIFCON

System Bauteil Material

Faser-cocktailSensitivitäts-

analyse

Herstellung / Bauzustände

Kooperationen[1] BREITENBÜCHER, R.: Spezielle Anforderungen an Beton im

Tunnelbau. In: BERGMEISTER, FINGERLOOS, WÖRNER (Hrsg.): Beton-Kalender 2014. Ernst & Sohn, 2014, 391-422

[2] BREITENBÜCHER, R.; MESCHKE, G.; SONG, F.; ZHAN, Y.: Experimental, analytical and numerical analysis of the pulloutbehavior of steel fibers considering different fibre types, inclinations and concrete strengths. Structural Concrete 15 (2014), Nr. 2, S. 126-135

[3] BREITENBÜCHER, R.; SONG, F.: Experimentelle Untersuchungen zum Auszugverhalten von Stahlfasern in höherfesten Betonen. Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Nr. 1, S. 43-52

[4] GALL, V. E.; MARWAN, A.; SMARSLIK, M.; OBEL, M.; MARK, P.; MESCHKE, G.: A Holistic Aproach for the Investigation of LiningResponses to Mechanized Tunneling Induced ConstructionLoadings. Underground Space. – accepted

[5] KÄMPER, C.; PUTKE, T.; ZHAO, C.; LAVASAN, A. A.; BARCIAGA, T.; MARK, P.; SCHANZ, T.: Vergleichsrechnungen zu Modellierungsvarianten für Tunnel mit Tübbingauskleidung. Bautechnik 93 (2016), Nr. 7, S. 421-432

[6] PUTKE, T.; BOHUN, R.; MARK, P.: Experimental analyses of an optimized shear load transfer in the circumferential joints ofconcrete segmental linings. Structural Concrete 16 (2015), Nr. 4, S. 572-582

[7] PUTKE, T.; MARK, P.: Fachwerkmodellbildung mit topologischen Optimierungsverfahren. Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Nr. 9, S. 618-627

[8] PUTKE, T.; MARK, P.: Wirtschaftliches Konstruieren und Bewehren. In: BERGMEISTER, FINGERLOOS, WÖRNER (Hrsg.): Beton-Kalender 2016, Ernst & Sohn 2016, S. 695-739

[9] PUTKE, T.; SONG, F.; ZHAN, Y.; MARK, P.; BREITENBÜCHER, R.; MESCHKE, G.: Entwicklung von hybriden Stahlfaserbetontübbings – Experimentelle und numerische Analysen von der Material- bis zur Bauwerksebene. Bauingenieur 89 (2014), Nr. 11, S. 447-456

[10] SCHMIDT-THRÖ, G.; TABKA, B.; SMARSLIK, M. SCHEUFLER, A.; FISCHER, O.; MARK , P.: Experimente zur Teilflächenpressung mit vorwiegend ebener Lastausbreitung. Beton- und Stahlbetonbau (2018). – im Druck

Publikationen

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Phas

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Met

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II

Herstellmethoden

• „Frisch-in-frisch“ Herstellung

• „Frisch-an-fest“ HerstellungFaserbeton-Einbaufertigteile mit eingeprägter Struktur und Mikrorauigkeit

Verbundverhalten hybrider Elemente Scherversuche

Versagen stets im KernbetonZugversuche

Optimierungskonzept auf mehreren Ebenen• Hybride topologische Optimierung

mit Kontinuums-Stabwerks-Systemen

• Materialspezifische Druck-/Zug-steuerung (anisotropisch, bilinear)

• Integration von Robustheit durch Mehrzieloptimierung undstochastische Ansätze

• Sensitivitätsanalysen, Antwort-flächenverfahren

Bauteilexperimente• Experimentelle Untersuchungen

von Lastübertragungsdetails unter den Aspekten: Materialeigenschaften (HLSFB, Kombinationsbewehrung), Herstellung, Bewehrungsart, -ausbildung, -orientierung, Lagerungsart, Lasteinleitung

• Quantitative Robustheits-bewertung optimierungsgestützt dimensionierter Bauteile

Optimierungskonzepte und robustes Design für hybride TübbingsGlobale Sensitivitätsanalysen auf Systemebene Hybride Topologieoptimierung auf Bauteilebene

Korrelationsmatrix

Balkenmodell

Antwortflächen Längsfugeninteraktionen N, M, ϕ Variabler Detailierungsgrad Teilflächenbelastung (Ring- und Längsfugen), quantifizierbar zur Dimensionierung

BauteilexperimenteBewehrungs-

konzepte

Oberflächen-Rissbilder

konventionell optimiert hybrid

Steigerung der Tragfähigkeit und Robustheit durch hybride Bewehrungskonzepte (Ring- / Längsfuge)• Geschweißte Bewehrungsleitern • Hybridbewehrung mit additiven Stahlfasercocktails • Mittige Lage der Dichtungsebene• Lastexzentrizitäten mit randnaher Lasteinleitung

Trag- und Verbundverhalten von hybriden Betonsystemen• Experimentelle Untersuchungen:− Teilflächenbeanspruchungen

(Ringfugen/Längsfugen)− Verbundverhalten (Scher-/

Zugversuche)− Faserorien-

tierung• Evaluierung

numerischerModelle ( B2)

Modellvergleich

Einfluss Querdehnung

Gleichzeitige Betonage mit Trennschalung

Versagensbilder (Experiment)

REF(unbewehrt)

HybridHybrid

unbewehrtSimulation

(B2)

Teilflächenbelastung

Scherrichtung Scherrichtung

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Projektleiter:Breitenbücher,

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Sonderforschungsbereich 837

Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau

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Met

hode

n –

Phas

e III

Entwicklung von kompressiblen Zusatzschichten• (Primär) zementgebundene Materialkompositionen mit plastischem

Stauchvermögen (bis zu rd. 40%) durch hohe Porigkeit poröse Gesteinskörnung/Matrix sowie kompressible Zusätze

• Spannungs-Stauchungs-verhalten unter weitgehenderQuerdehnungsbehinderung

• Evaluierung vonnumerisch entwickeltenMaterialdesigns (B2)

Triaxialversuche• Gesamt-Verformungsverhalten

von Mehrschichtsystemen inklusive Ringspaltmörtel (B3)

Materialdesign zur Steuerung des Verformungsverhaltens• Einstellung des Stauchniveaus und -vermögens in Abhängigkeit

projektspezifischer & geometrischer Anforderungen• Interaktive Abstimmung von Steifigkeiten und Schichtdicken für

multimaterielle Zusatzschichten

Modularisierte, hybride Tübbings mit adaptiven, robusten Lastübertragungselementen

Multimaterielle, verformungsfähige Tübbings

Weiterentwicklung der Herstellprozesse für modulare Tübbings• Umsetzung der Herstellprozesse

(„frisch-an-fest“/„frisch-in-frisch“) für hybride Tübbings in den Realmaßstab

• Kombinierte Herstellprozessefür modulare, hybride Tübbings

• Trag- und Verbundverhaltenmultimaterieller Verbundkörper

• Erweiterung materialge-steuerter Kontinuums/ Stabwerksoptimierung auf 3D mitherstellungsbedingtenRestriktionen

Großversuchsstand für Tübbings in Realmaßstab

• Interaktives Strukturdesign zwischen Tragfähigkeit und Weichheit

• Gesamtkompressionstest• Variables Lastkonzept

(Fv ≤ 3 MN, Fh ≤ 5 MN)• Aktiv-steuerbare M-N-Interaktion

und großflächige Lasteinleitung• Tübbingversuche : (0) Referenz,

(1) hybrider Entwurf,(2) multimaterieller Tübbing

• Nachweis des Gesamtkonzepts kompressibler Ausbau (B1, B2, B3)

• Konsekutive Entwicklung von Grundmodul (3D) mit Lastübertragungselementen