Hegger

Projektinformationen

Sandwichkonstruktionen aus dünnen gefalteten und gekrümmten Betondeckschichten

Antragsteller | Applicant: Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
Projektnummer | Project number: 198063016
RWTH Aachen University, Lehrstuhl und Institut für Massivbau, Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52074 Aachen
+49 241 80-25170 | jhegger@imb.rwth-aachen.de | www.imb.rwth-aachen.de

Berichts-/Förderzeitraum | Reporting/funding period: Reporting/funding period: 07/2011–06/2017
Team | Team: Alexander Stark

Kurzfassung

Übliche Betonbaukonstruktionen sind zur Zeit aus wirtschaftlichen Überlegungen auf ein- und zweidimensionale Tragglieder beschränkt. Sie weisen einen hohen Rohstoffverbrauch auf und sind meist durch eine Monofunktionalität gekennzeichnet. Nachhaltige und integrale Baukonstruktionen zeichnen sich nach dem Prinzip der Funktionsaddition durch geringen Ressourcenverbrauch, hohe Energieeffizienz, Modularität, Übernahme von Tragfunktionen, Schall- und Brandschutz sowie architektonische Gestaltbarkeit aus. Diese Anforderungen sind nicht allein durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Werkstoffe zu erreichen. Vielmehr bedarf es intelligenter und effizienter Tragstrukturen, die ideal an den Kräfteverlauf angepasst sind, bei geringen Querschnittsabmessungen eine hohe Tragfähigkeit bereitstellen und andere Funktionen integrieren. Die Schalenkonstruktionen des frühen 20. Jahrhunderts gehören zwar in die Gruppe der monofunktionalen Bauteile, belegen jedoch das Potenzial solcher Strukturen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, auf der Basis von theoretischen und experimentellen Untersuchungen durch Kombination innovativer, hochfester und korrosionsresistenter Werkstoffe die technischen Voraussetzungen für integrale Sandwichtragwerke mit Multifunktionalität aus gekrümmten und gefalteten dünnen Betonschalen zu schaffen.

Förderphase 1

In der ersten Phase wurden bis zum Frühjahr 2014 grundlegende Aspekte zur Realisierung von vorgespannten Sandwichschalenträgern untersucht. Hierzu waren Methodik und Arbeitsplan (siehe Abbildung) in fünf Abschnitte unterteilt.

Zur Realisierung sehr dünner und tragfähiger vorgespannter Betondeckschichten wurden im ersten Schritt die Grundlagen zur Vorspannung mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) in Hochleistungsbeton geschaffen. Nach der Entwicklung einer Verankerungstechnik für die hochfeste, aber querdruckempfindliche CFK-Spannbewehrung (Litze Ø 7,5 mm, Stab Ø 5,0 mm) anhand von FE-Simulationen und Zugversuchen (siehe A‑I & B‑I im Bild) wurde das Verbundverhalten mit Pull-Out-Versuchen und analytischen Ansätzen charakterisiert. Die Mindestdicken von mit CFK vorgespannten Betonschalen wurden anhand von Spannkrafteinleitungsversuchen bestimmt (A‑II, B‑II). Mit nichtlinearen FE-Berechnungen von CFK-vorgespannten Schalen- und Faltwerkträgern konnten deren Versagensformen ermittelt werden, um darauf aufbauend die Versuche an Faltwerkträgern zu konzipieren. Die Bauteilversuche dienten zur Validierung der FE-Modelle (A‑III, B‑III). Da für weitgespannte Sandwichträger die Qualität der Verbundfuge zwischen Kernmaterial und Betondeckschichten entscheidend ist, wurden Modellversuche an Sandwichkonstruktionen unter Zug- und Schubbeanspruchung zur Bestimmung der Tragmechanismen und zur Kalibrierung von Materialmodellen durchgeführt (A‑IV, B‑IV). Mit den Erkenntnissen aus den Arbeitsschritten I‑IV konnten schließlich erste numerische Simulationen und Bauteilversuche an Sandwich-Faltwerkträgern durchgeführt werden (A‑V, B‑V). Zur Zeit werden bestehende Ingenieurmodelle zum Biege- und Schubtragverhalten von Sandwichquerschnitten überprüft und erweitert.

© IMB | RWTH Aachen

Förderphase 2

Übliche Betonbaukonstruktionen sind zur Zeit aus wirtschaftlichen Überlegungen auf ein- und zweidimensionale Tragglieder beschränkt. Sie weisen einen hohen Rohstoffverbrauch auf und sind meist durch eine Monofunktionalität gekennzeichnet. Nachhaltige und integrale Baukonstruktionen zeichnen sich nach dem Prinzip der Funktionsaddition durch geringen Ressourcenverbrauch, hohe Energieeffizienz, Modularität, Übernahme von Tragfunktionen, Schall- und Brandschutz sowie architektonische Gestaltbarkeit aus. Diese Anforderungen sind nicht allein durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Werkstoffe zu erreichen. Vielmehr bedarf es intelligenter und effizienter Tragstrukturen, die ideal an den Kräfteverlauf angepasst sind, bei geringen Querschnittsabmessungen eine hohe Tragfähigkeit bereitstellen und andere Funktionen integrieren. Die Schalenkonstruktionen des frühen 20. Jahrhunderts gehören zwar in die Gruppe der monofunktionalen Bauteile, belegen jedoch das Potenzial solcher Strukturen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, auf der Basis von theoretischen und experimentellen Untersuchungen durch Kombination innovativer, hochfester und korrosionsresistenter Werkstoffe die technischen Voraussetzungen für integrale Sandwichtragwerke mit Multifunktionalität aus gekrümmten und gefalteten dünnen Betonschalen zu schaffen

Publikationen

• Stark, A.; Hegger, J.: Sandwich panels with thin folded and curved concrete layers. 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 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Karlsruhe: KIT Scientific Publ., 2012, S. 257−262
• Stark, A.; Hegger, J.: Bond behaviour of pre-tensioned CFRP tendons in UHPFRC. In: Barros J.; Sena-Cruz, J. (Hrsg.): 11th Int. Symp. on Fiber Reinforced Polymer for Reinforced Concrete Structures, 26.−28.06.2013 in Guimarães (Portugal), 2013, S. 125−126 (Kurzfassung), Langfassung auf CD-Rom: 8 S.
• Stark, A.; Hegger, J.: Development of CFRP pre-tensioned folded and curved shells made of UHPFRC. In: Obrebski, J.; Tarczewski, R. (Hrsg.): Beyond the limits of man – Proc. of IASS Symp. 2013, 23.−27.09.2013 in Breslau (Wroclaw, Polen), 2013, S. 343 (Kurzfassung), Langfassung auf CD-Rom: 6 S.
• Stark, A.; Hegger, J.: CFRP Tendons in UHPFRC – Bond Behaviour and Application to Folded and Curved Shells. In: Toutlemonde, F.; Resplendino, J. (Hrsg.): Proc. of 2nd Int. Symp. on UHPFRC (UHPFRC’2013), 01.−03.10.2013 in Marseille (Frankreich), 2013, S. 335−342
• Stark, A.; Hegger, J.: Verbundverhalten von CFK-Spannbewehrungen in UHPFRC. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 10, S. 701−710
• Stark, A.; Shams, A.: Untersuchungen zum Verbundverhalten von Sandwichelementen mit Betondeckschichten und geschäumten Polyurethan-Kernschichten. Bauingenieur 88 (2013) 10, S. 412−419
• Stark, A.; Perse, S.: Innovative Sandwichkonstruktionen mit UHPC-Deckschichten. In: Breitenbücher, R.; Mark, P. (Hrsg.): Beiträge zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium, 07./08.11.2013 an der Ruhr-Universität Bochum, 2013, S. 71−76
• Hegger, J.; Chudoba, R.; Stark, A.; van der Woerd, J. D.: Leicht Bauen mit Beton − Origami-basierte Faltwerke und vorgespannte Sandwich-Schalenträger | Concrete light − Origami-based folded structures and prestressed sandwich shell beams. BFT international 80 (2014) 2, S. 27−29 – Smart Concretes = Intelligente Betone – Proc. der 58. Ulmer Betontage, 18.–20.02.2014 in Neu-Ulm
• Stark, A.; Hegger, J.: Development of CFRP Pre-tensioned Sandwich Panels with Concrete Facings. In: El-Hacha, R. (Hrsg.): Proc. of CICE 2014 – 7th Int. Conf. on FRP in Civil Engineering, 20.–22.08.2014 in Vancouver (Kanada), 2014, S. 210 (Kurzfassung), Langfassung auf CD-Rom: 6 S.
• Stark, A.; Hegger, J.: Sandwichkonstruktionen mit dünnen Betondeckschichten. 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. 82–93
• Horstmann, M.; Shams, A.; Stark; A.: Sandwichkonstruktionen aus Textilbeton. In: Lehrstuhl und Institut für Massivbau der RWTH Aachen (Hrsg.): Massivbau im Wandel – Festschrift zum 60. Geburtstag von Josef Hegger, 2014, S. 603–614
• Chudoba, R.; Hegger, J.; Scholzen, A.; Sharei, E.; Stark, A.; Will, N.; van der Woerd, J.: Die Leichtigkeit des Betons – Dünnwandige Schalentragwerke aus hochleistungsfähigen zementartigen Verbundwerkstoffen. RWTH Themen – Bauingenieurwesen (2015) 2, S. 42–45
• Shams, A.; Stark, A.; Hoogen, F.; Hegger, J.; Schneider, H.: Innovative sandwich structures made of high performance concrete and foamed polyurethane. Composite Structures 121 (2015) 3, S. 271–279 – DOI: 10.1016/j.compstruct.2014.11.026
• Kueres, D.; Stark, A.; Herbrand, M.; Classen, M.: Numerische Abbildung von Beton mit einem plastischen Schädigungsmodell – Grundlegende Untersuchungen zu Normalbeton und UHPC. Bauingenieur 90 (2015) 6, S. 252–264
• Hegger, J.; Herbrand, M.; Stark, A.; Classen, M.: Betonbau der Zukunft: leicht, filigran und nachhaltig. Bauingenieur 90 (2015) 7/8, S. 337–344
• Hegger, J.; Chudoba, R.; Will, N.; Classen, C.; Rempel, S.; Stark, A.; van der Woerd, J.: Bauen mit Betonfertigteilen. RWTH Themen – Production Engineering (2016) 1, S. 26–31
• Herbrand, M.; Kueres, D.; Stark, A.; Classen, M.: Numerische Simulation von balken- und plattenförmigen Bauteilen aus Stahlbeton und UHPC mit einem plastischen Schädigungsmodell. Bauingenieur 91 (2016) 2, S. 46–56
• Stark, A.; Classen, M.: Prestressed Sandwich Beams with UHPC Layers. In: Proc. of 1st Int. Interactive Symp. on UHPC, 18.–20.07.2016 in Des Moines (Iowa, USA), 2016, publ. auf USB-Stick: 10 S. – http://dx.doi.org/10.21838/uhpc.2016.17
• Stark, A.; Perse, S.; Hegger, J.: Test on the Transfer Length of CFRP Tendons in UHPC. In: Fehling, E.; Middendorf, B.; Thiemicke, J. (Hrsg.): Proc. of HiPerMat 2016, 4th Int. Symp. on Ultra-High Performance Concrete and High Performance Construction Materials, 09.–11.03.2016 in Kassel, Kassel: kassel university press, 2016, S. 129–130 (Kurzfassung), Langfassung auf USB-Stick: 8 S.
• Stark, A.; Kueres, D.; Hegger, J.: Sandwichelemente mit UHPC-Deckschichten und geschäumten PUR-Kernschichten. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 816–827
• Kueres, S.; Stark, A. P.; Will, N.; Hegger, J.: Development of a modular footbridge system with pre-tensioned CFRP reinforcement. In: Sritharan, S.; Graybeal, B.; Wille, K. (Hrsg.): Engineering the Future – Proc. of 39th IABSE Symp., 21.–23.09.2017 in Vancouver (Kanada), 2017
• Stark, A.: Analysis of Prestressed Sandwich Panels with Ultra-High Performance Concrete Facings. Dissertation, 2017
• Hegger, J.; Curbach, M.; Stark, A.; Wilhelm, S.; Farwig, K.: Innovative design concepts: Application of textile reinforced concrete to shell structures. Structural Concrete 19 (2018), S. 637–646 – DOI: 10.1002/suco.201700157
• Stark, A.; Classen, M.; Knorrek, C.; Camps, B.; Hegger, J.: Sandwich panels with folded plate and doubly curved UHPFRC facings. Structural Concrete 19 (2018) 6, S. 1851–1861 – https://doi.org/10.1002/suco.201700288
• Stark, A.; Classen, M.; Hegger, J.: Bond Behaviour of CFRP Tendons in UHPFRC. Engineering Structures 178 (2019) 1, S. 148–161 – DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.002
• Schlussbericht: https://doi.org/10.25368/2022.335