Herstellung und Eigenschaften von dünnwandigen, trocken gefügten Bauteilen aus ultrahochfestem faserverstärkten Feinkornbeton

Lehmberg, Sven

Um UHPFRC effektiv einzusetzen, müssen dessen Festigkeiten möglichst hoch ausgenutzt werden. Somit empfehlen sich leichte, vorgespannte und kraftflussoptimierte Konstruktionen um die Traglasten aufzunehmen. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Anwendungsregeln zur Dimensionierung modularer, dünnwandiger und trocken gefügter UHPFRC-Bauteile in vorgespannten Tragkonstruktionen ohne zusätzliche Bewehrung zu entwickeln. Um dies zu erreichen, sind neue trockene Stoßverbindungen für Stab- und Flächenelemente untersucht worden. Die trockene, hochpräzise Bauteilverbindung ist eine hochkomplexe und mechanisch sehr effiziente Möglichkeit Bauteile kraftschlüssig miteinander zu verbinden um leichte und tragfähige Tragwerke herzustellen. Um die Bauteilverbindung effizient einzusetzen, wurden neue biege-steife Knotenelemente für Stabwerke sowie einachsig gespannte Plattenbalkenelemente, bestehend aus Platten- und Balkenelementen, entwickelt und geprüft. Es ist bekannt, dass bei dünnen Betonbauteilen sowohl Maßstabseffekte als auch der Fasergehalt und die Faserorientierung bei der Traglastberechnung beachtet werden müssen. Für die entwickelten trocken gefügten Bauteile zeigt sich jedoch, dass eine analytische und numerische Berechnung der Traglasten mit den bisher bekannten Faserparametern nicht möglich ist. In einem Versuchsprogramm konnten weitere Faserparameter, wie die lokale Faserverteilung und Faserorientierung im versagens-relevanten Querschnitt, bestimmt werden. Mit den ermittelten wirksamen Faserparametern konnte ein Ansatz zur Dimensionierung von dünnwandigen und trocken gefügten Bauteilen entwickelt werden. Zur Bestimmung der Faserparameter wurden mehrere Versuchsserien im Mikro-Computertomographen aufgenommen und durch eine eigens entwickelte automatisierte Auswertung auf die relevanten Faserparameter hin untersucht. Die dabei gewonnenen Einflussgrößen sind anschließend in einem Fasereffektivitätsfaktor zusammengefasst worden. Bei einer modularen Bauweise muss zur Sicherstellung eines monolithischen Tragverhaltens die trockene Fügung von dünnwandigen Bauteilen genauer betrachtet werden. Daher wurden die mechanischen Eigenschaften von ein- und mehrdimensionalen, hochpräzise geschalten, trockenen Stoßverbindungen experimentell und numerisch untersucht. Aus den Ergebnissen konnten für unterschiedliche Stoßtypen Fügefaktoren für die Dimensionierung abgeleitet werden. Die neu erforschte Fasereffektivität sowie der Fügefaktor werden abschließend zur einfachen baupraktischen Anwendung in bestehende Nachweiskonzepte integriert.

In order to use UHPFRC effectively, its strengths must be utilized as high as possible. Therefore, light, pre-stressed and force-optimized designs are recommended to accommodate the load capacities. The aim of this thesis is to develop application rules for the dimensioning of modular, thin-walled and dry-fit UHPFRC-components in pre-stressed load-bearing structures without additional reinforcement. For this purpose new dry-joints for bar and surface elements have been investigated. The high-precision non-standardized joint is a highly complex and mechanically very efficient way of joining components together in a force-fitting manner in order to produce lightweight and load-bearing structures. In order to use the component connection efficiently, new bend-resistant node elements for frames as well as pre-stressed t-beams consisting of plate and bar elements were developed and tested. It is known that in the case of thin concrete components, both scale effects as well as the fiber content and the fiber orientation in the load-bearing calculation have to be considered. For the developed dry-fitted components, however, it can be seen that an analytical and numerical calculation of the load capacities with the known fiber parameters is impossible. In an experimental program, further fiber parameters, such as the local fiber distribution and fiber orientation in the failure-relevant cross-section, could be determined. An approach for the dimensioning of thin-walled and dry-fitted components was developed with the determined effective fiber parameters. To determine the fiber parameters, several test series were recorded in the micro-computer tomograph and examined by a specially developed automated evaluation program on the relevant fiber parameters. The resulting influencing variables were subsequently combined in a fiber effectivity factor. In a modular design, the dry-fitted joint of thin-walled components must be analyzed more closely in order to ensure a monolithic support behavior. Therefore, the mechanical properties of single- and multi-dimensional highly-precise, dry-fitted joints were investigated experimentally and numerically. From the results, joining factors for the dimensioning could be derived for different joint types. The newly researched fiber effectiveness as well as the joining factor are finally integrated into existing calculation concepts for a simple application in constructions.

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Lehmberg, Sven: Herstellung und Eigenschaften von dünnwandigen, trocken gefügten Bauteilen aus ultrahochfestem faserverstärkten Feinkornbeton. 2018.

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