Aktiv geregelte thermische Induktion zur Verstärkung von Stahlbetontragwerken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Mark; Professor Dr.-Ing. Thomas Meurer
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458161128

Viele bestehende Stahlbetontragwerke sind zu verstärken. Typische Motivation dazu ist eine Ertüchtigung gegenüber erhöhten Lasten, wie sie z. B. bei Brücken durch den gestiegenen Schwerlastverkehr oder bei Hochbauten durch zusätzliche Nutzlasten auftreten.Wesentliche technische Einschränkung von Verstärkungen ist, dass sie – ohne temporäres Anheben oder Vorspannen – nicht für Eigengewichte wirksam sind. Lediglich die Nutzlasten verteilen sich anteilig auf Bestand und Verstärkung. Diese Einschränkung ist für Stahlbetontragwerke besonders nachteilig, da ihr Eigengewichtsanteil mit rund 70% hoch liegt.Zur Lösung wird hier eine gänzlich neue Methode entwickelt, nämlich die Verstärkung bei lokaler Temperaturinduktion. Sie ist nutzbar für Balken und Platten. Sie dient der Biegeverstärkung und verwendet in Schlitzen eingelegte Zusatzbewehrungen mit schnell härtendem Hochleistungsbeton (HPC) als Verbundmaterial. Die Zusatzbewehrung ergänzt die vorhandene Bewehrung.Kernidee ist es, die Vordehnung in der vorhandenen Bewehrung durch einen gezielten Wärmeeintrag auch in die Zusatzbewehrung zu induzieren und somit beide Dehnungen anzugleichen. Nachträgliche und initiale Bewehrung reagieren dann als Einheit im Sinne einer erhöhten Tragfähigkeit und einem günstigeren Gebrauchsverhalten zur Rissbreitenbeschränkung. Der Wärmeeintrag muss streng auf die lokalen Bereiche der Schlitze beschränkt werden. Dort ist er zur Vordehnung und zum Schnellhärten des HPC nötig. Ein Durchwärmen des Restquerschnitts würde die gewünschte Vordehnung der Zusatzbewehrung abbauen und ist unerwünscht. Die Induktion erfordert daher eine präzise zeitliche wie räumliche Regelung. Im Projekt wird die Induktion allgemeingültig und interaktiv zwischen einer Modellbildung (digitaler Zwilling) und korrespondierenden Experimenten entwickelt. Dies verläuft konsekutiv über die Größenskala (Experiment) und in der methodischen Erweiterung (Modellbildung). Die Modellbildung startet mit der mathematischen Modellierung mit Aktor- und Sensorplatzierung und entwickelt die Regelung und Optimierung der thermischen Aushärtung und der thermo-mechanischen Kopplung. Es entsteht eine modellbasierte Folgeregelung mit Beobachter zur Realisierung transienter Temperatur- und Dehnungsprofile. Im Experiment werden auf Materialebene die notwendigen thermischen Parameter identifiziert sowie das Schnellhärten des HPC und das Verbundkriechen untersucht. Auf Bauteilebene wird der eigentliche Temperatureintrag aus Wärmematten bzw. Infrarotstrahlern entwickelt und anschließend die thermo-mechanische Kopplung untersucht, um die nötigen Vordehnungen zu erzielen und ungewollte Sekundärrisse zu reduzieren. Modell und Experiment werden abschließend zusammengeführt in einem vollständig instrumentierten Großdemonstrator. Dazu wird eine typische Stahlbetonplatte des Hochbaus für eine Verdopplung ihrer Nutzlast verstärkt. Daran werden sämtliche Entwicklungen im Realmaßstab umgesetzt und evaluiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen