Gehlen

Inhaltsverzeichnis

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

Projektinformationen

Funktionale Gradierung, Schalungs- und Herstelltechnologie unter Berücksichtigung der Segmenttopologie

Antragsteller | Applicant: Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen
Projektnummer | Project number: 198068157
TU München, Centrum Baustoffe und Materialprüfung (cbm), Baumbachstraße 7, 81245 München
+49 890 289 27061 | gehlen@tum.de | www.bgu.tum.de/cbm

Berichts-/Förderzeitraum | Reporting/funding period: 10/2011–06/2015
Team | Team: Sandy Illguth, Thomas Kränkel (2014/15), Dirk Lowke

Kurzvorstellung

Das Forschungsprojekt widmet sich der Herausforderung des leichten Bauens mit Hilfe von Schalentragwerken aus Betonfertigteilen. Der Forderung nach leichtem Bauen wird hier aber nicht nur durch Beachtung geringer Verhältniswerte Gewicht zu Traglast Rechnung getragen, unter leichtem Bau wird effizient bauen verstanden, d. h. auch geringe Verhältniswerte Herstellkosten zu Traglast, Energieverbrauch zu Traglast, Öko-Impact zu Traglast etc.

______________________________

Beim Bau von monolithischen Ortbetonschalen ist i. d. R. nicht nur mit einem enormen Arbeitsaufwand insbesondere durch den Schalungsbau zu rechnen, auch stellt die doppelt gekrümmte Geometrie eine für den Werkstoff Beton und ggf. zusätzlich notwendige Bewehrungen (Maßhaltigkeit) bisher nicht überzeugend gelöste Problemstellung dar. Die Antragsteller sind überzeugt davon, dass Schalentragwerke wesentlich effizienter (leichter) aus Betonfertigbauteilen hergestellt werden können.

Vor diesem Hintergrund wurden in einem ersten Bearbeitungsschritt nach oben genannten Kriterien materialabhängige Entwurfsräume für solche segmentierten Schalen aufgestellt. Dazu wurden aus Literaturdaten und eigenen Untersuchungen gewonnene mechanisch bewertete Materialdatensätze ökologisch bilanziert. Daran anschließend wurden mit den nun ökologisch-mechanischen Materialdatensätzen gemeinsam mit dem Projektpartner (Lehrstuhl für Statik der TU München) die Parameter Filigranität des optimal parzellierten Schalentragwerks sowie die ökologischen Auswirkungen auf Tragwerksebene bei vorgegebener Traglast bestimmt.

In den weiteren Bearbeitungsschritten wurde und wird versucht, den optimalen Entwurfsraum in lohnenden Bereichen gezielt zu erweitern. Dabei ist nicht nur daran gedacht, die aufnehmbare Zugkraft im Bauteil um eine Größenordnung zu steigern, sondern auch daran, das Material im Bauteil selbst zu gradieren. Durch die Gradierung wird es möglich, die Materialeigenschaften lokal an die tatsächliche Beanspruchung anzupassen. Dieser Schritt ist notwendig, um die Effizienz der durch Segmentierung geschwächten Schale weiter steigern zu können.

Für die Untersuchungen zur Gradierung wurde eine geeignete Rotationsmaschine entwickelt und gebaut. Es wurden Carbopol®-Gele mit drei verschiedenen Fließgrenzen  hergestellt. Der Fasergehalt betrug 0,5 Vol.-% Mikrostahlfasern. Die stahlfaserhaltigen Gele wurden in eine transparente Prismenschalung gefüllt und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotiert. Der ersten Ergebnisse zeigen, dass durch Rotation eine gleichmäßige Gradierung mit dem geringsten Fasergehalt im Rotationszentrum und dem höchsten Fasergehalt an den Außenrändern bei vierseitig, zentrisch gradierten Platten mit nur einer Faserart in einem Bauteil vermutlich nicht erreichbar ist. In einem weiteren Arbeitsschritt soll daher versucht werden, zwei unterschiedliche Fasertypen in einem Bauteil zu verwenden, die sich stark in Abmessungen und Masse unterscheiden.

Für den vorgesehenen Anwendungsfall der dünnwandigen Schalen ist es nötig, hohe Zugfestigkeiten zu erreichen. Hierzu wurden Feinkornbetone mit Fasergehalten von 0 bis 10 Vol.-% Mikrostahlfasern untersucht. Es galt zunächst, in einer FEM-Studie einen optimierten Probekörper für die zentrischen Zugversuche zu finden. Dieser sollte im Rissbereich eine gleichmäßige Spannungsverteilung bei minimalen Probekörperabmessungen aufweisen.

Neben den zentrischen Zugversuchen wurden auch Vier-Punkt-Biegeversuche an Balken mit einem Querschnitt von 50/50 mm (ungekerbt) durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass unter Annahme einer vollplastischen Spannungsverteilung im Druck- und Zugbereich eine gute Korrelation zwischen Biegezugfestigkeit und zentrischer Zugfestigkeit besteht. Entsprechend konnte auf die weniger aufwendigen Biegezugversuche zur Ermittlung der zentrischen Zugfestigkeit zurückgegriffen werden. Im Fall der bisher untersuchten Faserfeinkornbetone wurde eine maximale zentrische Zugfestigkeit von 8,1 N/mm² (Biegezugfestigkeit 23,3 N/mm²) erreicht. Im Folgenden soll geklärt werden, ob die Zugfestigkeit durch Variation der Betonmatrix und/oder Einsatz anderer Stahlfasertypen noch gesteigert werden kann. Auch ein Fasermix aus unterschiedlichen Stahlfasern - speziell im Hinblick auf die Gradierung - soll untersucht werden.

Publikationen

• lllguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Rheology of Fibre Reinforced Fine-Grained High Performance Concrete for Thin-Walled Elements − Effect of Type and Content of Steel Fibres. In: Roussel, N.; Bessaies-Bey, H. (Hrsg.): Proc. of the 1st Int. RILEM Conf. on Rheology and Processing of Construction Materials and the 7th RILEM Conf. on Self-Compacting Concrete, 02.–04.09.2013 in Paris (Frankreich), Paris: RILEM Publications SARL, 2017, S. 309–316
• lllguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Zum Formfüllungsvermögen dünnwandiger Schalungen – Experiment und Simulation. In: Förderverein-Baustoff-Forschung e.V. (Hrsg.): Tagungsband zum 12. Münchener Baustoffseminar am 27.03.2014, München: cbm, 2014, S. 35–40
• Illguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Effiziente Schalentragwerke aus funktional gradierten Betonfertigteilen – Funktionale Gradierung, Schalungs- und Herstelltechnologie unter Berücksichtigung der Segmenttopologie. 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. 152−161 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171462
• Illguth, S.; Gehlen, C.; Lowke, D.: Ultra High Strength Fibre-Reinforced Concrete for Thin-Walled Precast Elements. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proc. of the IASS Annual Symp. 2015, 17.–20.08.2015 in Amsterdam (Niederlande), Beitrag Nr. IASS2015-523421, publiziert auf USB-Stick: 11 S.
• Illguth, S.; Lowke, D.; Gehlen, C.: Faserbewehrter Ultrahochfester Beton für filigrane Bauteile. In: Ludwig, H.-M. (Hrsg.): Tagungsband zur 19. Int. Baustofftagung ibausil, 16.−18.09.2015 in Weimar, Weimar: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, 2015, S. 1.1311–1.1318
• Schlussbericht: https://doi.org/10.25368/2022.332