Zum Tragverhalten von dünnen Bauteilen aus ultrahochfestem Faserfeinkornbeton

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Kurzfassung

Die Arbeit beginnt mit einem kurzen Überblick, der die Entwicklung von Normalbeton über hochfesten zu ultrahochfestem Beton aufzeigt. Es wird dargelegt, aufgrund welcher Materialeigenschaften sich ultrahochfester Faserfeinkornbeton (UHFFB) für Schalentragwerke eignet, und es werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt. Bei Wärmespeichern beispielsweise übernimmt der UHFFB neben der lastabtragenden auch die wasserdichtende Funktion, so dass auf eine teure Edelstahlinnenauskleidung verzichtet werden kann.
Aufbauend auf eigenen Versuchsergebnissen und theoretischen Ansätzen wird das Tragverhalten von UHFFB unter Zug, Druck und Biegung näher untersucht. Dabei wird der Einfluss der Faserorientierung berücksichtigt. Die Gültigkeit der verwendeten Materialgesetze wird mittels Nachrechnung von Versuchen überprüft. Es werden Tastversuche zu Lastwechseln an Schalenelementen vorgestellt. Schließlich werden daraus Bemessungsvorschläge auf Quer-schnittsebene entwickelt.
Da man die beste und einigermaßen gleich bleibende Materialqualität insbesondere mit Fertigteilen erreichen kann, wird im darauffolgenden Abschnitt eine mögliche Lösung für eine kraftschlüssige Verbindung zwischen UHFFB-Fertigteilen mittels lokal eingelegten Bewehrungsstäben vorgestellt. Für die Dimensionierung des Übergreifungsstoßes wird auf das Verbundverhalten von UHFFB näher eingegangen.
Zur theoretischen Betrachtung und als Grundlage für spätere nichtlineare Berechnungen wird danach die probabilistische Bruchmechanik in Form der Weibull-Theorie eingesetzt und diskutiert, inwieweit bekannte Regelungen für Stahlfaserbeton auf UHFFB übertragen werden können. Dann werden Flächentragwerke unter kombinierter Momenten- und Normalkraftbeanspruchung mittels der Methode der Finiten Elemente untersucht. Entscheidend für die materiell nichtlinearen Rechnungen ist die Wahl geeigneter Materialmodelle. In der Arbeit wird für Druckbeanspruchungen die Plastizitätstheorie nach Drucker-Prager angewandt, für Zugbeanspruchungen wird ein Modell mit verschmierten Rissen verwendet. Es wird ein Momenten-Normalkraft-Interaktionsdiagramm für UHFFB erstellt. Die mittels FE-Rechnung an Flächentragwerken gefundenen Rissbilder und Traglasten werden mit Ergebnissen aufgrund der Fließlinientheorie verglichen und zusammen mit möglichen Lastumlagerungen diskutiert.
Als Beispiel zur Veranschaulichung der gewonnenen Erkenntnisse wird der Langzeitwärmespeicher näher untersucht. Nach einer Optimierung von Form, eingesetzten Materialien und Kosten werden die maßgebenden Lastfälle auf Gebrauchslastniveau betrachtet, um die Dichtigkeit des Speichers zu garantieren. In anschließenden Untersuchungen wird der Grenzzustand der Tragfähigkeit im Sinne einer globalen Traglastanalyse betrachtet.
Abschließend wird diskutiert, für welche Schalentypen der Einsatz von UHFFB sinnvoll ist, weil beispielsweise deutliche Materialeinsparungen gegenüber einer Normalbetonlösung möglich sind – ohne dass ein Beulversagen eintritt.

Abstract

This thesis starts with a brief survey of the development from normal over high strength to ultrahigh strength concrete. It is shown which material properties make ultra-high performance fibre reinforced concrete with fine aggregates (UHPFRC) suitable for shell structures, and different possible applications are presented. In the case of hot-water tanks e.g. the UHPFRC is not only responsible for the load bearing capacity but serves as density barrier as well, so that an expensive stainless steel inner liner can be omitted.
Based on own test results and theoretical assumptions the load bearing behaviour of UHPFRC under tension, compression and bending is examined more closely. Therefore the influence of fibre orientation is taken into account. The validity of the material laws used is checked by recalculating tests. Some first tests about load cycles on a shell element are presented. This all leads to design proposals on the cross section level.
The best and more or less constant material quality will especially be reached by using pre-fabricated elements. Therefore, in the next chapter, a possible solution for a force-fit joint between UHPFRC-elements using locally introduced reinforcement bars is presented. For dimensioning the overlap connection there will be a closer look at the bond behaviour of UHPFRC.
For theoretical examinations and as basis for following non-linear calculations the probabilistic fracture mechanics according to the Weibull theory is used, and it is discussed whether or which well known design rules for steel fibre concrete may also be used for UHPFRC. After that plates and shell structures under combined bending and axial force are examined using Finite Element Analysis. Important for the material non-linear analysis is a proper choice of the material laws. In this thesis, for compressive behaviour the plasticity theory according to Drucker-Prager and for tensile behaviour a model with smeared cracks is used. A diagram for the interaction of moments and normal forces is presented for UHPFRC. The crack patterns and load bearing capacities found by Finite Element Analysis on plate and shell structures are compared to results according to the yield line theory and discussed together with possible redistributions of loads.
As one example showing a practical application the hot-water tank for long-term storing of heat is considered. After optimising the shape, the materials used and the costs, the decisive load cases are examined in the serviceability state in order to guarantee the water tightness of the tank. In additional examinations the ultimate limit state is considered using a global load bearing capacity analysis.
Finally it is discussed for which types of shell structures it makes sense to use UHPFRC for example because of a possible significant reduction in the amount of material used compared to normal concrete – without buckling becoming important.