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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
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 3
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.
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 4
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:
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 5
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
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 6
UHPFRC-Segmentfugen
Aufnahme des Versagens mit Hochgeschwindigkeitskamera – Versuchskörper mit α = 55°
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 7
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°
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 8
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)
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 9
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)
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 10
UHPFRC-Balken
Untersuchungen an drei monolithischen und zwei segmentären Balken
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 11
UHPFRC-Balken
Herstellung mit modifiziertem Kontaktverfahren im Fertigteilwerk Rekers (Spelle)
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 12
UHPFRC-Balken
Anlieferung der einzelnen Segmente und Zusammenspannen zu einem Balken
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 13
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
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 14
UHPFRC-Balken
e = 1,50 m
F
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 15
UHPFRC-Balken
Rissbilder im Bruchzustand – Versuche unter reiner Torsionsbeanspruchung
V6 Monolithischer Balken
V8 Segmentbalken
V7 Monolithischer Balken
V8 Trockenfuge nach Versuch
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 16
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
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UHPFRC-Balken
Rissbilder im Bruchzustand – Versuche unter kombinierter Beanspruchung
V9 Monolithischer Balken
V10 Segmentbalken
V10 Übersicht
V10 Trockenfuge nach Versuch
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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
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 19
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
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 20
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
16.11.2016 | Vincent Oettel | Hohlkastenträger aus ultrahochfestem Beton | Seite 21
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