Einfluss elektrischer, thermischer und mechanischer Belastung auf bewehrten UHPC (KoHöMaT)
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Untersuchungen zum Einfluss elektrischer, thermischer und mechanischer Belastung auf die Materialparameter sowie zur elektrischen Lebensdauer des bewehrten UHPC als Teilprojekt des Vorhabens KoHöMaT – Kompakte Höchstspannungsmasten und -traversen | Investigations on the influence of electrical, thermal and mechanical loading on material parameter as well as on electrical endurance of reinforced UHPC a spart of the joint project KoHöMaT – compact highest voltage masts and cross arms Förderer | Funding Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi); Projektträger: PT Jülich / KoHöMat Zeitraum | Period 10/2013 – 03/2016 Teilprojektleiter | Subproject manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiterin | Contributor Dr.-Ing. Kerstin Speck Projektpartner | Project partners IEEH, TU Dresden | Europoles GmbH & Co. KG, Neumarkt | LAPP Insulators GmbH, Wunsiedel | Fichtner GmbH & Co. KG, Stuttgart | iBMB, TU Braunschweig | Versuchsanstalt für Stahl, Holz & Steine im KIT, Karlsruhe |
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
UHPC beim Ultraschalltest
Lagerung der Betonproben im Gleichstromfeld
Für neue Höchstspannungsleitungen werden kompakte Masten und Traversen benötigt, um den Raumbedarf gering zu halten und schonend in das Landschaftsbild einzugreifen. In dem Verbundforschungsvorhaben KoHöMaT (Kompakte Höchstspannungsmasten und -traversen) entwickeln sieben Projektpartner aus dem Elektro- und Bauingenieurwesen gemeinsam Lösungen, unter anderem für Schleuderbetonmasten aus ultrahochfestem Beton (UHPC).
Am Institut für Massivbau werden gemeinsam mit dem Institut für elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik (IEEH) der Technischen Universität Dresden die Materialeigenschaften des UHPC untersucht. Für den geplanten Einsatz sind dabei nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die elektrischen Kenngrößen und eventuelle Wechselwirkungen aus beiden Beanspruchungen von Bedeutung. So wurde z. B. untersucht, ob sich das Gefüge von Beton bei einer andauernden Lagerung in einem elektrischen Feld verändert. Durch die kompakte Geometrie der Masten ist der Abstand der Leiterseile zum Beton verhältnismäßig gering, so dass elektrischen Feldstärken vorliegen, wie sie im Bauwesen sonst nicht üblich sind.
Für die Versuche wurde das Fünffache der erwarteten Feldstärke gewählt, um die gesamte Lebenszeit im Zeitraffer zu simulieren. Die Probekörper wurden im Alter von einem Monat für einen bzw. drei weitere Monate einem Gleichspannungs- oder Wechselspannungsfeld ausgesetzt. Die dabei auftretenden Gefügeänderungen wurden mit Referenzprobekörpern verglichen, welche über den gleichen Zeitraum in einer Klimakammer lagerten. Sowohl Gefügeverdichtungen infolge Hydratation als auch Mikrorisse beeinflussen die Ultraschalllaufzeit. Deshalb wurde diese an definierten Messpunkten vor und nach der Lagerung im elektrischen Feld bestimmt. Außerdem wurden Steifigkeit und Festigkeit im einaxialen Druckversuch ermittelt.
Nach einem Monat Lagerung im elektrischen Feld sind keine signifikanten Abweichungen zu den Referenzproben erkennbar. Nach drei Monaten Lagerung zeigen die Referenzproben eine leichte Gefügeverdichtung, einhergehend mit einer minimalen Nachverfestigung. Diese ist bei den Proben aus dem elektrischen Feld weniger stark ausgeprägt. Die Festigkeit und die Gefügedichte weisen aber immer noch die gleiche Größenordnung wie vor der elektrischen Belastung auf. Die Dauerhaftigkeit des UHPC ist demnach durch den Einfluss des elektrischen Feldes nicht gefährdet.
Bericht aus dem Jahrbuch 2015
Wenn Litze auf Litze trifft
Litzen unter Spannung – Betonage der Auszugkörper mit vorgespannten Spannstählen
Für die Energiewende benötigt man neue Höchstspannungsleitungen, die jedoch mit geringem Raumbedarf und schonendem Eingriff in das Landschaftsbild errichtet werden sollen. Die Masten und Traversen müssen möglichst kompakt gestaltet werden. Damit nähern sich nicht nur die stromführenden Leiterseile der Tragkonstruktion an, sondern es sind Elektro- und Bauingenieure gemeinsam gefordert, die daraus resultierenden Beanspruchungen zu bewerten. In dem Verbundforschungsvorhaben KoHöMaT (kompakte Höchstspannungsmasten und -traversen) entwickeln sieben Projektpartner gemeinsam Lösungen für Stahlvollwandmasten und Schleuderbetonmasten aus ultrahochfestem Beton (UHPC) sowie für Traversen und Isolatoren und deren Umweltauswirkungen.
Am Institut für Massivbau werden gemeinsam mit dem Institut für elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik (IEEH) der Technischen Universität Dresden die Materialeigenschaften des UHPC untersucht. Die erforderlichen Kenngrößen für den geplanten Einsatz beschränken sich dabei nicht nur auf mechanische Festigkeit oder Elastizitätsmodul, sondern auch die elektrische Festigkeit, der elektrische Widerstand und die Wärmeleitfähigkeit sind von Bedeutung. Oftmals sind für die Ermittlung der elektrischen Eigenschaften völlig neue Probekörperformen und Versuchsaufbauten zu entwickeln. Erste Versuche zeigen z. B., dass Beton den Isolatoren zugeordnet werden kann, allerdings bei weitem nicht die Werte von Keramik erreicht.
Die Auswirkungen, die die elektro-magnetischen Felder auf die mechanischen Eigenschaften haben, werden in Verbundversuchen ermittelt. Dafür werden an den Bewehrungsstahl Ströme angelegt, die denen entsprechen, die maximal in der Bewehrung im Mast induziert werden. Dabei kann sich der Stahl auf bis zu 80 °C erwärmen. Im Rahmen einer Wechselbeanspruchung werden die Probekörper über 700-mal erwärmt und wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Nachdem die anschließenden Auszugversuche bei Betonstahl keine signifikanten Unterschiede im Vergleich zu nicht vorbelasteten Referenzproben zeigten, werden aktuell Spannstahllitzen untersucht. Nahezu gleiche geometrische Verhältnisse in der Verbundzone werden durch die Vorspannung der Litzen während der Betonage auf ein Viertel ihrer Streckgrenze erreicht. Die bisher durchgeführten Versuche zeigen insgesamt keinerlei Ergebnisse, die den Einsatz von UHPC in Höchstspannungsmasten in Frage stellen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2014
Beton unter Strom
Auszugversuch
Der Wind weht im Norden, die Industrie befindet sich im Süden – der Umstieg auf erneuerbare Energien erfordert eine Anpassung des Stromnetzes in Deutschland. Die nötigen Stromtrassen beeinflussen das Landschaftsbild und haben einen enormen Raumbedarf. Um diesen gering zu halten, werden aktuell kompakte Höchstspannungsmasten entwickelt. Statt der raumgreifenden Stahlgittermasten kommen Schleuderbetonmasten aus ultrahochfestem Beton (UHPC) zum Einsatz und die Leiterseile werden so dicht wie möglich angeordnet. So kann die Trassenbreite auf etwa die Hälfte, die benötigte Gründungsfläche auf ein Zehntel reduziert werden.
Allerdings gilt es manches zu klären, bevor mit diesen Masten gebaut werden kann. Wie sieht die optimale Mastgeometrie aus, damit die Leiterseile dem Boden nicht zu nahe kommen, die Trasse auch um Kurven geführt werden kann und alle Lasten sicher aufgenommen werden? Wie müssen die Isolatoren aufgebaut sein, die die Leiterseile voneinander trennen? Welcher UHPC genügt den technologischen Anforderungen an Schleuderbeton und erreicht gleichzeitig die erforderlichen Festbetoneigenschaften? Wie wird der Mast gegründet, wie werden die Mastsegmente verbunden und wie ist die Tragfähigkeit?
An der TU Dresden wird geprüft, wie groß der elektrische Widerstand von UHPC ist: Ist er ein Leiter oder ein Isolator? Wie ändert sich der Widerstand, wenn es regnet und die Oberfläche verschmutzt ist? Was passiert im Beton, in der Bewehrung oder mit dem Verbund, wenn bei Blitzschlag oder Kurzschluss der Strom einen Weg durch den Beton in die Bewehrung findet? Und haben die magnetischen Felder der Leiterseile einen Einfluss, schaden die induzierten Ströme in der Bewehrung oder die Erwärmung auf Dauer den Materialien?
Erste Versuche zeigen, dass Beton den Isolatoren zugeordnet werden kann, allerdings bei weitem nicht die Werte von Keramik erreicht. Außerdem wurden erste Auszugversuche nach vorangegangener thermischer Beanspruchung durchgeführt. Realitätsnah wurde die Probe über die Bewehrung erwärmt, indem an den Stahl ein Strom von 155 A angelegt wurde. Über 700-mal wurden die Probekörper auf 80 °C erhitzt und wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Die anschließenden Auszugversuche zeigten keine signifikanten Unterschiede zu nicht vorbelasteten Vergleichsproben. Die bisher durchgeführten Versuche zeigen insgesamt keinerlei Ergebnisse, die den Einsatz von UHPC in Höchstspannungsmasten in Frage stellen.