Fischer

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektinformationen
      2. Kurzvorstellung
      3. Publikationen

Projektinformationen

Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke (Phase I) | Füge- und Entwurfsprinzipien für ebene und räumliche Stabtragsysteme aus formoptimierten filigranen Stäben aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung (Phase II)

Antragsteller | Applicant: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Oliver Fischer
Projektnummern | Project numbers: 198111225 und 257612823
TU München, Lehrstuhl für Massivbau, Theresienstraße 90, Gebäude N6, 80333 München
+49 89 289.23039 | massivbau@tum.de | www.mb.bgu.tum.de

Berichts-/Förderzeitraum | Reporting/funding period: 01.08.2011–31.07.2015
Team | Team: Michael Henke, Roland Niedermeier

Kurzvorstellung

Tragsysteme aus Beton sind bisher im Regelfall dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Ausnahme von Stützen die Lasten bei vergleichsweise unausgewogener Materialausnutzung als flächige Bauteile oder massive Biegebalken abtragen. Wenn es gelingt, die Systeme aufzulösen und filigrane stabartige Tragstrukturen zu entwerfen, die sich am Kräftefluss orientieren, so lässt sich neben der Gewichtsreduktion und Ressourceneffizienz auch die Transparenz wesentlich erhöhen. Durch innovative Werkstoffe (z. B. UHPC) und neuartige Fertigungsverfahren bestehen bei geschickter Formgebung – sowohl auf Systemebene (Anordnung von Knoten und Stäben) als auch auf der Ebene der Komponenten (materialoptimierte Stäbe und Knoten) – mittlerweile grundsätzliche Möglichkeiten, auch mit Betontragwerken in Bereiche vorzudringen, die bisher nahezu ausschließlich dem Stahlbau vorbehalten waren. Hochfester, hochdichter Beton und Bewehrungselemente aus faserverstärkten Kunststoffen führen zudem zu korrosionsarmen Bauteilen mit geringem Wartungsaufwand und hoher Dauerhaftigkeit. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, durch theoretische und experimentelle Untersuchungen allgemeine Ingenieurmodelle sowie Entwurfsprinzipien für formoptimierte variable Zug- und Druckstäbe aus UHPC und CFK-Bewehrung zu entwickeln und so wesentliche Grundlagen für die zukünftige Anwendung filigraner räumlicher Stabtragwerke aus Beton zu schaffen. Dazu wird ein modulares Konzept zunächst theoretisch vertieft, es werden in Kleinversuchen bisher nicht ausreichend geklärte Fragen wissenschaftlich abgesichert und die mechanischen Modelle schließlich durch Bauteilversuche validiert.

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Zielsetzung. Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton – Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfs-prinzipien“ werden im Teilprojekt „Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke“ an der Trag-wirkung orientierte, formoptimierte Druckstäbe und vorgespannte Zugstäbe entwickelt. Sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeitseigenschaften als auch auf die Dauer-haftigkeit werden die Stäbe aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC) hergestellt sowie ausschließlich mit nichtmetallischen Elementen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bewehrt bzw. vorgespannt. Durch theoretische und experimentelle Untersuchungen an den Stäben sollen Grundlagen für die zukünftige Realisierung von schlanken stabförmigen Tragstrukturen aus Beton in modularer Bauweise geschaffen werden.

Druckstab. Um möglichst schlanke Einzelkomponenten zu erhalten, liegt bei der Entwicklung der Druckstäbe der Forschungsschwerpunkt auf der Formoptimierung des Gesamt-stabes in Längsrichtung. Da mit zunehmender Schlankheit jedoch auch die Stabilitätsgefährdung wächst, muss beim Entwerfen einer optimalen Form gemäß dem Prinzip „form follows force“ neben einem Spannungsversagen gegebenenfalls auch ein Stabilitätsversagen berücksichtigt werden. Das Bestreben, das Lastniveau dieser beiden Versagensszenarien möglichst anzunähern, ist eine wesentliche Zielsetzung der Optimierungsstrategie, da so eine optimale Materialverteilung in Längsrichtung erzielt werden kann. Ein weiterer Aspekt, der im Rahmen der Druckstabentwicklung untersucht werden soll, ist die Erhöhung der Querschnittskapazität in hochbeanspruchten Bereichen durch eine einbetonierte Umschnürungsbewehrung. Der dadurch erzeugte günstige mehraxiale Spannungszustand ermöglicht eine schlankere Ausführung dieser Bereiche. Auf der Grundlage dieser Überlegungen wurden bzw. werden folgende theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Druckstab durchgeführt:

• umfangreiche Formoptimierungsberechnungen für unterschiedliche Druckkräfte, Lagerungsfälle, Stablängen und Lastexzentrizitäten,
• statische Kurzzeitdruckversuche an zylindrischen UHPC-Körpern mit einbetonierter CFK-Umschnürungsbewehrung unter Variation der Umschnürungsdicke t_w,
• Schwind- und Kriechversuche an zylindrischen UHPC-Körpern mit und ohne einbetonierte CFK-Umschnürungsbewehrung unter Variation des Belastungsniveaus,
• Bauteilversuche an formoptimierten Druckstäben für den Lagerungsfall beidseitig gelenkig unter Variation der Stablänge, der Bewehrung und der Lastexzentrizität,
• materiell nichtlineare FE-Berechnungen für unterschiedliche optimierte Stabformen unter Berücksichtigung der erhaltenen Versuchsergebnisse,
• Entwicklung allgemeiner Entwurfsprinzipien und Ingenieurmodelle für formoptimierte Druckstäbe aus UHPC.

Zugstab. Das Ziel der Forschung im Hinblick auf die Zugstäbe ist die Entwicklung von möglichst schlanken Stäben, die unter Gebrauchslasten ungerissen bleiben, um große Verformungen des Gesamttragwerks zu vermeiden. Aus diesem Grund werden die Zugstäbe planmäßig mit CFK-Stäben im sofortigen Verbund vorgespannt. Ein Hauptaugenmerk der Forschung zum Zugstab liegt im Hinblick auf eine möglichst geringe räumliche Ausdehnung der Stabwerksknotenelemente daher auf der Minimierung der Spannkrafteinleitungslänge. Auf der Grundlage dieser Überlegungen wurden bzw. werden folgende theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Zugstab durchgeführt:

• Ausziehversuche unter Variation der Parameter Stabdurchmesser d_eff, Oberflächenbeschaffenheit der Stäbe, Verbundlänge, Betonalter, Betonfestigkeit f_cm und Betondeckung zur Beurteilung der Verbundeigenschaften der unterschiedlichen CFK-Stäbe und ihrer Eignung zum Vorspannen im sofortigen Verbund,
• Entwicklung einer geeigneten Verankerungsvorrichtung zum Vorspannen der CFK-Stäbe unter Berücksichtigung der Querdruckempfindlichkeit des CFKs,
• Spannkrafteinleitungsversuche unter Variation des Stabdurchmessers d_eff, der Betondeckung und des Abstandes zwischen den einzelnen Spanngliedern,
• Bauteilversuche an vorgespannten Zugstäben zur Ermittlung des nichtlinearen Verformungsverhaltens,
• Entwicklung allgemeiner Entwurfsprinzipien für vorgespannten Zugstäbe aus UHPC.

Publikationen

• Henke, M.: Shape optimized, filigree rods out of UHPC and non-corrosive CFRP-reinforcement for variable spatial frameworks. In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Hrsg.): Proc. of the 9th fib Int. PhD Symp. in Civil Engineering, 22.−25.07.2012 am KIT Karlsruhe, Karlsruhe: KIT Scientific Publ., 2012, S. 317−321
• Fischer, O.; Lechner, Th.; Henke, M.: Schlanke Betontragstrukturen aus UHPC: Stabilitätsfragen, Formgebung und Verbindung der Bauteile. In: Krawtschuk, A.; Zimmermann, T.; Strauss, A. (Hrsg.): Werkstoffe und Konstruktionen − Innovative Ansätze 2013, Festschrift zu Ehren von o.Univ.-Prof. DI Dr.techn. Dr.phil. Dr.-Ing.e.h. Konrad Bergmeister, MSc., Berlin: Ernst & Sohn, 2013, S. 27−33
• Henke, M.; Fischer, O.: Leicht Bauen mit Beton − Räumliche filigrane Stabtragwerke aus ultrahochfestem Beton und CFK-Bewehrung. Bauingenieur 88 (2013) 11, S. 453−462
• Schmidt, A.; Curbach, M.; Henke, M.; Fischer, O.: Formvariationen von Druckgliedern. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 11, S. 792−803 – DOI: 10.1002/best.201300053
• Henke, M.; Fischer, O.: DFG-Schwerpunktprogramm "Leicht Bauen mit Beton" − theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Verwendung neuartiger Materialien für stabförmige Tragglieder. In: Fischer, O. (Hrsg.): Tagungsband Münchener Massivbauseminar 2013, 22.11.2013 in München, München: Förderverein Massivbau der TU München e.V., 2013, S. 29−37
• Henke, M.; Fischer, O.: Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Institut für Massivbau der TU Dresden, 2014, S. 48−59 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171370
• Henke, M.; Fischer, O.: Shape optimized struts made of ultra-high performance concrete. In: Stang, H.; Braestrup, M. (Hrsg.): Concrete – Innovation and Design – Proc. of fib Symp. 2015, 18.–20.05.2015 in Kopenhagen (Dänemark), Lausanne: fib, 2015, Beitrag Nr. 342, S. 211–212 (extended abstract), Langfassung auf USB-Stick, 14 S.
• Henke, M.; Fischer, O.: Shape optimized struts made of UHPC. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proc. of the Int. Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symp. 2015, 17.–20.08.2015 in Amsterdam (Niederlande), 2015, Beitrag Nr. IASS2015-523963, publ. auf USB stick, 12 S.
• Henke, M.; Fischer, O.: Load-bearing behavior of shape-optimized struts made of UHPC. In: Beushausen, H. (Hrsg.): Performance-Based Approaches for Concrete Structures – Proc. of fib Symp. 2016, 21.–23.11.2016 in Kapstadt (Südafrika), Lausanne: fib, 2016, Beitrag Nr. 032, S. 165–166 (extended abstract), Langfassung auf CD, 10 S.
• Henke, M.; Gehrlein, S.; Fischer, O.: Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Stabilität schlanker hochbelasteter Stützen aus ultra-hochfestem Beton. In: Fischer, O. (Hrsg.): Tagungsband Münchener Massivbauseminar 2016, 25.11.2016 in München, München: Förderverein Massivbau der TU München e.V., 2016, S. 39−49
• Henke, M.: Tragverhalten von formoptimierten Druckgliedern aus stahlfaserverstärktem ultrahochfesten Beton (UHPFRC). Dissertation, 2021
• Schlussbericht: https://doi.org/10.25368/2022.330