Reliability of highly stressed UHPC Columns taking into account spatial variation of structural properties
Construction Material Sciences, Chemistry, Building Physics
Final Report Abstract
Der neuartige Werkstoff UHPC ermöglicht es, Tragstrukturen mit deutlich geringerem Materialeinsatz zu realisieren, als dies mit konventionellem Stahlbeton möglich ist. Werden Querschnittsabmessungen von Druckgliedern reduziert, erhöht sich i. d. R. die Gefahr des Stabilitätsversagens. Aufgrund des im Vergleich zu Bauteilen aus konventionellem Beton geringen Materialeinsatzes haben Stör- bzw. Fehlstellen innerhalb des Querschnitts signifikante Auswirkungen auf die Traglast bzw. auf die Tragwerkszuverlässigkeit. Durch die Beimischung von Fasern ist davon auszugehen, dass mit steigendem Fasergehalt auch die Materialinhomogenität über die Bauteillänge zunimmt und dadurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens traglastmindernder Fehlstellen, im Falle sehr hohen Fasergehaltes, zunimmt. Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens wurde daher untersucht, inwieweit die Berücksichtigung der räumlichen Struktur- und Materialstreuungen im Berechnungsmodell die Tragwerkszuverlässigkeit schlanker Druckglieder aus faserbewehrtem UHPC beeinflusst. Aufbauend auf den Erkenntnissen bereits abgeschlossener Forschungsvorhaben wurde ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm durchgeführt und daraus statistische Kennwerte für UHPC mit unterschiedlichen Fasergehalten abgeleitet. Ergänzend wurden schlanke UHPC Stützen (mit unterschiedlichen Fasergehalten) geprüft und geometrische sowie materialspezifische Kennwerte bzw. deren Verläufe über die Bauteillänge ermittelt. Zusätzlich wurde die Faserverteilung und Faserorientierung mit Hilfe des optoanalytischen Verfahrens bestimmt, um neben Korrelationen zwischen Materialparametern auch deren Beeinflussung durch die zugegebenen Fasern bestimmen zu können. Aufbauend auf den gewonnenen Ergebnissen wurde ein bestehendes Berechnungsmodell durch die Methodik der Zufallsfelder erweitert, so dass die räumliche Streuung bzw. die Materialinhomogenität abgebildet werden konnte. Mit Hilfe der anschließend durchgeführten Zuverlässigkeitsanalysen war es möglich Rückschlüsse der abgebildeten Materialinhomogenität auf die Tragwerkszuverlässigkeit schlanker UHPC-Stützen zu ziehen. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass erwartungsgemäß eine deutliche Korrelation zwischen der Betonzugfestigkeit und der Faseranzahl bzw. der Faserorientierung in Beanspruchungsrichtung vorhanden ist, während die Betondruckfestigkeit und der Beton-Elastizitätsmodul eher gering durch zugegebene Fasern beeinflusst werden (abgesehen vom Nachbruchverhalten); Fasergehalte > 2,5 Vol.-% deutlich zunehmende Streuungen der Materialparameter bewirken (Zunahme von Fehlstellen aufgrund örtlicher Faserkonzentrationen); die Faserorientierung bei gleichmäßiger Faserverteilung geringe räumliche Streuungen aufweist und daher eher geringen Einfluss auf die Materialstreuung zeigt; die Berücksichtigung der räumlichen Streuung traglastbestimmender Materialparameter bei definierter Lastexzentrizität eine Erhöhung der Tragwerkszuverlässigkeit schlanker Druckglieder aus UHPC bewirkt, so dass für die untersuchten Stützen (Fasergehalt ≤ 2,5 Vol.-%) das normativ geforderte Zuverlässigkeitsniveau stets eingehalten ist. Die im Forschungsantrag formulierten offenen Fragestellungen konnten vollständig beantwortet werden. Die Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse in praxisorientierte Bemessungsmodelle ermöglicht das Innovationspotential des stetig weiterentwickelten Baustoffes UHPC einer breiten Anwendung zugänglich zu machen.
Publications
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Reliability analysis of HSC and UHPC columns. In: 12th International Probability Workshop, 4. bis 5. November 2014, Weimar
Tran, N; Grziwa, U.; Graubner, C.-A.
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Spatial variability of material properties and its influence on structural reliability of UHPFC columns. In: Fib Symposium Proceedings, Concrete - Innovation and Design, 18. bis 20. Mai 2015, Kopenhagen
Tran, N; Grziwa, U.; Graubner, C.-A.
