Anwendung der entwickelten fügetechnischen Konstruktionslösungen durch Verkleben bei Brückenträgern aus Ultra-Hochfestem Beton (UHPC)
Construction Material Sciences, Chemistry, Building Physics
Final Report Abstract
Mit ultrahochfestem Beton (UHPC) ist es möglich, äußerst filigrane und hoch tragfähige Bauteile herzustellen. Die Fertigung der Bauteile wird aufgrund der sensiblen Stoffmischung überwiegend in stationären Anlagen erfolgen. Damit die Bauweise mit dem Werkstoff UHPC eine breite Anwendung finden kann, ist es daher erforderlich, geeignete Fügeverfahren, die auch unter Baustellenbedingungen einsetzbar und wirtschaftlich ausführbar sind, zu entwickeln. Das Verkleben von im Fertigteilwerk hergestellten UHPC-Fügteilen auf der Baustelle zu einem Bauteil bzw. zu einer Baukonstruktion stellt in diesem Zusammenhang ein ideales Fügeverfahren dar. Am Lehrstuhl für Massivbau der TU-München wurde ein hochfester mineralischer Mörtel entwickelt, ein sogenannter RPC-Klebstoff, der eine sehr hohe Leistungsfähigkeit aufweist. Um die Tragfähigkeit der „reinen“ Klebefuge zu erhöhen und zudem ein duktiles Fugenversagen zu erzielen, wurde auf der Grundlage der „reinen“ Verklebung eine weitere innovative Fügetechnik entwickelt: die bewehrte Verklebung. Bei dieser Fügetechnik wird zusätzlich eine Fugenbewehrung aus dem einen Fügeteil über die Klebefuge geführt und kraftschlüssig mit dem anderen Fügeteil verbunden. Um die baupraktische Anwendbarkeit und die Leistungsfähigkeit der „reinen“ und der bewehrten Klebeverbindung zu untersuchen, wurden im Rahmen dieses Transferprojekts 18 Bauteilversuche durchgeführt. Als Versuchskörper kamen praxisgerechte filigrane UHPC-Brückenträger zum Einsatz, die aus einzelnen Fügeteilen zusammengesetzt und verklebt worden sind. Die Einzelkomponenten der Plattenbalken wurden im Fertigteilwerk unter Praxisbedingungen hergestellt. Damit konnte gezeigt werden, dass die verwendete UHPC-Mischung baupraktisch einsetzbar und diese ebenfalls für die Herstellung größerer Betonmengen geeignet ist. Des Weiteren zeigte die Auswertung der Begleitprüfkörper, dass vergleichbare Festigkeitswerte wie unter Laborbedingungen auch im Fertigteilwerk realisierbar sind. Weiterhin wurden auf Basis der experimentellen Untersuchungen das Tragverhalten und die Tragfähigkeit der Fügemethoden am Bauteil bestimmt. Das Tragverhalten der gefügten Versuchsbalken ist bis zum Adhäsionsbruch der Klebefugen wie bei einem monolithischen Balken. Der sehr spröde Adhäsionsbruch führt bei der „reinen“ Verklebung zu einem unmittelbaren Tragfähigkeitsverlust des Trägers. Bei der bewehrten Verklebung ist dagegen nach dem Haftversagen eine Tragfähigkeitssteigerung möglich. Beim Umlagerungsvorgang von der Tragwirkung über die Adhäsion hin zur Tragwirkung über die Bewehrung treten nur geringe Fugenrelativverschiebungen auf. Die Auswirkung der Nachgiebigkeit der Verbundfuge wurde zum einen mittels Vergleich der Versuchsergebnisse des monolithischen Balkens mit den gefügten Balken und zum anderen durch eine Versuchsnachrechnung mittels Differenzialgleichung des elastischen Verbundes beurteilt. Hierbei zeigt sich, dass bei der bewehrten Verklebung zur Ermittlung der Tragfähigkeit der Verbindungsmittel ein starrer Verbund angenommen werden kann. Darüber hinaus wurde mit der Versuchsnachrechnung dargestellt, dass das Fugentragverhalten des kleinformatigen Verbundkörpers auf das des Bauteils übertragbar ist. Weiterhin wurden die an kleinformatigen Versuchskörpern in vorausgegangenen Forschungsvorhaben entwickelten Bemessungsgleichungen auf ihre Gültigkeit hin überprüft und auf der Grundlage der Bauteilversuche verifiziert. Zudem bestätigen die durchgeführten Untersuchungen den baupraktischen Einsatz der beiden Fügetechniken bei großformatigen Bauteilen. Diese können somit Einzug in die Praxis halten. Um die Marktchancen der UHPC-Bauweise mit den entwickelten Fügetechniken abschätzen zu können, wurde abschließend eine Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsbeurteilung unter Berücksichtigung der erzielten Erfahrung aus diesem Projekt durchgeführt. Dazu wurde ein reales Bauprojekt, eine Autobahnüberführung, herangezogen. Durch die enorme Leistungsfähigkeit des UHPC konnte auf den Mittelpfeiler der konventionellen Konstruktion mittels Normalbeton verzichtet werden und die 60 m Spannweite problemlos mit einer Einfeldträgerkonstruktion überbrückt werden. Es zeigte sich, dass bereits unter den heutigen Randbedingungen akzeptable Ergebnisse bzgl. der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit erzielt werden konnten. Mittels konsequenter Weiterentwicklung im Hinblick auf die Betontechnologie, Bemessung und Konstruktion sowie Fertigung kann die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit des Werkstoffs UHPC weiter gesteigert werden.
Publications
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Fügetechnische Konstruktionslösungen für Bauteile aus ultrahochfestem Beton (UHPC). Dissertation, Lehrstuhl für Massivbau, Technische Universität München, München, 2013
Wingenfeld, D.
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Zusammengesetzte Tragelemente aus ultrahochfestem Beton (UHPC). In: Lehrstuhl für Bauprozessmanagement und Immobilienentwicklung, Technische Universität München (Hg.): Festschrift Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Zimmermann zum 60. Geburtstag, München, 2013, ISBN: 978-3-939956-24-2
Zilch, K.; Wingenfeld, D.; Dunkelberg, D.
