Für Offshore Megastrukturen mit ihren enormen Abmessungen und Massen gewinnen modulare Substrukturkonzepte an Bedeutung. Im Teilprojekt B08 werden der Fügeprozess sowie das Trag- und Verformungsverhalten von innovativen Slip Joint Verbindungen mit Stahl-Stahl- und Beton-Stahl-Kontaktflächen für aufgelöste Substrukturen numerisch und experimentell erforscht. Aus den gewonnenen Ergebnissen soll ein mechanisch basiertes Modell zur Beschreibung des Tragverhaltens von Slip Joints unter Druck- und Zugbeanspruchung abgeleitet und zur Entwicklung von Konzepten für modulare Offshore-Substrukturen und damit zur Erweiterung des Entwurfsraumes von Offshore-Megastrukturen genutzt werden.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Sonderforschungsbereich 1463
Förderdauer/Laufzeit: 2025 - 2028
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Vincent Oettel
Für die Auslegung von Offshore Megastrukturen sind realistische Kombinationsansätze der auftretenden spezifischen Umweltbedingungen von entscheidender Bedeutung. Das Teilprojekt A05 erforscht die stochastische Modellierung und Vorhersage gleichzeitig auftretender Umweltbedingungen unter Berücksichtigung der Wirkungsrichtung und zeitlichen Änderung der Belastungsparameter. In der zweiten Förderperiode wird die zuvor entwickelte Kombinationsmethodik erstmals für aero-hydro-servo-elastische Simulationen mit dem digitalen Zwilling zur Identifikation, Verifikation und probabilistischen Beschreibung bisher nicht oder nur unzureichend berücksichtigter Kombinationen von Umwelt- und Betriebsbedingungen von Offshore-Megastrukturen eingesetzt.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Sonderforschungsbereich 1463
Förderdauer/Laufzeit: 2025 - 2028
Leitung: Dr.-Ing. Boso Schmidt
Aufgrund der sehr hohen Festigkeiten und Dauerhaftigkeit von ultrahochfestem faserverstärktem Beton (UHPFRC) lassen sich mit diesem Material äußerst dünnwandige und ressourceneffiziente Bauwerke, wie z. B. Segmentbrücken, errichten. Durch die Schlankheit dieser Bauwerke steigt das Verhältnis zwischen zyklischen Verkehrs- und statischen Eigenlasten im Vergleich zu Bauwerken aus Normalbeton und führt zu einer ungünstigeren Ermüdungsbeanspruchung.
Überlagern sich die infolge der Profilierung und den Fugentoleranzen auftretenden Spannungskonzentrationen mit Effekten aus zyklischer Beanspruchung, kann es sehr schnell zu einem vorzeitigen Versagen der Fugen kommen. Für den UHPFRC-Segmentbau bedeutet dies, dass das Ermüdungstragverhalten der in den dünnwandigen Stegen angeordneten profilierten Trockenfugen von essentieller Bedeutung für diese zukunftsweisende Bauweise ist.
Ziel des Forschungsvorhabens ist das Erfassen, Verstehen, Beschreiben und Prognostizieren des Degradationsverhaltens von profilierten trockengefügten Segmentfugen aus UHPFRC unter zyklischer Beanspruchung mit konsistenter Beachtung der Schädigungsmechanismen und –prozesse auf der Mesoskala, welche durch Untersuchungen auf der Makroskala ergänzt werden und somit eine skalenübergreifende Betrachtung ermöglichen. Abschließend sollen die Ergebnisse für die Entwicklung eines Ansatzes zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von profilierten Trockenfugen aus UHPFRC herangezogen werden.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderdauer/Laufzeit: 2024 - 2027
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Vincent Oettel
Ansprechpartner: Linus Joachim, M. Sc.
Veröffentlichungen:
Oettel, V.; Joachim, L.; Schmidt, B. (2023): Calculation approach of multi keyed dry joints for sustainable modular precast element constructions made of UHPFRC. Construction and Building Materials 370 (2023), 130687. (Link)
Die Herstellung von konventionellem Betonstahl ist mit einem großen Verbrauch an nicht-erneuerbaren Rohstoffen sowie einem erheblichen Energieaufwand und Treibhausgasemissionen verbunden. Aufgrund ihrer sehr hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit stellen Bewehrungselemente aus Faserverbundkunststoffen (FVK) insbesondere in korrosiver Umgebung eine gute Alternative zur konventionellen Betonstahlbewehrung dar, da die Betondeckung verringert und somit schlanker und ressourcensparender gebaut werden kann. Bei der Bemessung können die für Stahlbeton entwickelten Bemessungsmodelle jedoch nicht ohne weiteres angewendet werden. Zur Querkrafttragfähigkeit unter Schubbeanspruchung liegen bereits umfangreiche Versuchsserien an Bauteilen mit FVK-Bewehrung vor, aus denen entsprechende Bemessungsmodelle abgeleitet werden konnten. Demgegenüber fehlen jedoch umfangreiche Erkenntnisse aus Versuchen unter Torsionsbeanspruchung und es ist unklar, inwieweit sich vom Tragverhalten unter Querkraft Rückschlüsse auf die Torsionstragfähigkeit ziehen lassen. Eine systematische Recherche und Analyse von bisher durchgeführten Torsionsversuchen und Berechnungsansätzen wurde bisher nicht durchgeführt. Aus diesem Grund gibt es bisher kein experimentell abgesichertes Bemessungskonzept für Betonbauteile mit FVK-Bewehrung unter Torsionsbeanspruchung.
Um das große Potenzial von FVK-Bewehrung nutzen zu können, muss bei der Bemessung aus sicherheitstechnischen, wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Gründen auch eine Berücksichtigung von Torsionsbeanspruchung ermöglicht werden. Im Forschungsvorhaben wird daher – auf Basis eigener Bauteilversuche und der Versuchsergebnisse aus der Fachliteratur – das Torsionstragverhalten von FVK-bewehrten Betonbauteilen untersucht.
Zunächst soll eine umfangreiche Literaturrecherche zu Bauteilversuchen mit stabförmiger nichtmetallischer Bewehrung unter Torsionsbeanspruchung und die Zusammenstellung in einer Datenbank erfolgen. In der Fachliteratur vorhandene erste Berechnungsvorschläge sollen recherchiert und mittels der Datenbank analysiert werden. Um die Datenbasis zu erweitern und verschiedene Effekte des Torsionstragverhaltens zu untersuchen, werden eigene Versuche an FVK-bewehrten Bauteilen unter Torsionsbeanspruchung durchgeführt und ausgewertet. Die Torsionsdatenbank wird durch die Ergebnisse aus den Versuchen ergänzt. Die gezielten Erkenntnisse sollen als Grundlage für einen ersten, pragmatischen und experimentell abgesicherten Bemessungsansatz dienen, der sich am grundsätzlichen Bemessungskonzept der DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ orientiert.
Projektträger: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb)
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing. Vincent Oettel
Fachhochschule Kiel
Institut für Bauwesen
Prof. Dr.-Ing. Stephan Görtz
Förderdauer/Laufzeit: 2023 - 2025
Ansprechpartner: Marvin Wilkening, M. Eng.
Ultrahochleistungsbetone (UHPC) in Betonstrukturen bieten ein enormes Potential im Hinblick auf eine sehr hohe, massenoptimierte Tragfähigkeit sowie eine überragende Dauerhaftigkeit. Um dem spröden Versagen von UHPC entgegenzuwirken, werden in der Regel beträchtliche Mengen von hochfesten Mikrostahldrahtfasern beigemischt, die aus Gründen der Ressourcenschonung in der Strukturbemessung berücksichtigt werden müssen. Während für ultrahochfeste Betone mit Mikrostahlfasern (UHPFRC) unter vorwiegend ruhenden Beanspruchungen schon Modellansätze für Biegung, Querkraft und Torsion existieren, ist noch unklar, wie die Fasertragwirkung bei ermüdungsbeanspruchten Bauteilen angesetzt werden kann. Erste Untersuchungen an UHPFRC-Zugkörpern unter zyklischer Zugbeanspruchung innerhalb der ersten Förderperiode des SPP2020 deuten darauf hin, dass auch nach einer hochzyklischen Zugbelastung in Einstufenversuchen noch ein beträchtlicher Ermüdungswiderstand vorhanden ist. Allerdings ist das Ermüdungsverhalten von UHPFRC unter komplexen Beanspruchungsszenarien (Mehrstufenversuche) bisher noch nicht untersucht worden.
Daher sollen in dem beantragten Forschungsvorhaben - aufbauend auf den Untersuchungen und Erkenntnissen der ersten Förderperiode - die Schädigungsmechanismen und der Degradationsverlauf von UHPFRC unter komplexen, zyklischen Zugbeanspruchungen grundlegend experimentell und numerisch untersucht werden. Zum einen sollen durchgängige und systematisch abgestufte experimentelle Untersuchungen (Mehrstufenversuche mit Reihenfolgeeffekten und Schadensakkumulation) an verschiedenformatigen Versuchskörpern (inkl. zweier Demonstratoren) durchgeführt und mittels moderner mechanischer Messverfahren und bildgebender Methoden, wie z. B. Digitalmikroskopie (DM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Computertomografie (CT) und Photogrammetrie (GOM), sowie Schallemissionsanalyse (SEA) dokumentiert, ausgewertet und analysiert werden. Zum anderen soll basierend auf dem mesoskaligen Verbundmodell aus der ersten Förderperiode eine effiziente Homogenisierungsstrategie entwickelt und implementiert werden, um das Degradationsverhalten des Kompositwerkstoffs UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung kontinuumsmechanisch zu beschreiben. Zur Modellvalidierung werden die Versuchsergebnisse aus der ersten und zweiten Förderperiode herangezogen und numerisch analysiert. Ziel ist die makroskopische Bauteil-Simulation für monotone und zyklische Beanspruchungen.
Übergeordnet soll mit der Verknüpfung der in den experimentellen und numerischen Untersuchungen erzielten Erkenntnisse und Modelle zum Experimental-Virtual-Lab eine Degradationsprognose für UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung entwickelt werden, die an einem Demonstrator validiert wird und bei zug- und biegezugbeanspruchten Tragwerken aus modernen Hochleistungsbetonen eingesetzt werden kann.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann
Technische Universität Braunschweig
Institut für Statik
Prof. Dr.-Ing Dieter Dinkler
Förderdauer/Laufzeit: 2020 - 2023
Ansprechpartner: Jan-Paul Lanwer, M.Sc.
Veröffentlichungen:
Mit den additiven Fertigungsverfahren (AM) Partikelbett-, Extrusions- und Spritzbetonverfahren (3D-Betondruck) können ressourcenschonende und statisch optimierte Betonbauteile aus z. B. mittels Vorspannung zusammengespannten AM-Segmenten hergestellt werden. Die Ausführung der Fugen ist hierbei von besonderer Bedeutung und spielt eine entscheidende Rolle für die Montage der AM-Segmente auf der Baustelle, das Tragverhalten der AM-Bauteile sowie die praktische Umsetzung der AM-Verfahren.
Aus diesem Grund sollen in diesem Teilprojekt des SFB/TRR 277 – Additive Manufacturing in Construction - The Challenge of Large Scale – die Ausführung, der Herstellungsprozess und die Tragfähigkeit der Fugen von (vorgespannten) AM-Betonsegmenten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen AM-Verfahren und der variablen Belastungssituationen untersucht werden. Zu Beginn des Teilprojekts sollen in WP 1 mögliche Ausführungsarten von Trockenfugen erforscht und zusammengestellt werden. Der Herstellungsprozess der bevorzugten Trockenfugenausführungen soll anschließend in WP 2 evaluiert und erste Versuche an trockenen Fugenausschnitten unter Druck durchgeführt werden. Mit diesen Erkenntnissen werden in WP 3 Probekörper mit Trockenfugen hergestellt und hinsichtlich ihrer Beanspruchbarkeit (unter vorwiegender Schubbeanspruchung) untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein Anwendungskatalog und ein Berechnungsansatz für Trockenfugen von AM-Segmenten abgeleitet. Anschließend werden AM-Segmente mit Trockenfugen hergestellt und adaptiv zu ersten Segmentträgern zusammengesetzt (WP 4). Das Tragverhalten der Träger wird experimentell und numerisch untersucht sowie zur Validierung des entwickelten Berechnungsansatzes herangezogen.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
Fachgebiet Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Technische Universität Braunschweig
Institut für Tragwerksentwurf
Prof. Dr.-Ing. Harald Kloft
Förderdauer/Laufzeit: 2020-2023
Ansprechpartner: Jan-Paul Lanwer, M.Sc.
Veröffentlichungen:
Bestandsbauwerke wie z. B. Betonbrücken sind während ihrer Nutzungsdauer mechanischen Degradationsprozessen unterworfen, die in Kombination mit den inhärenten Defiziten der Bauwerke bemerkbare Änderungen des Bauwerkszustandes (Schädigungen) verursachen. Zusätzlich können erhöhte Betriebsbeanspruchungen auftreten, die gemeinsam mit den Schädigungen eine möglichst genaue Bewertung der Tragsicherheit (Resttragfähigkeit und Vorankündigungsverhalten) erfordern. In einem abgeschlossenen Promotionsprojekt innerhalb des Graduiertenkollegs 2075 wurden Ansätze zur Bewertung der Resttragfähigkeit von Betonbauteilen unter Berücksichtigung der mechanischen Degradation entwickelt. Aufbauend darauf soll die Tragsicherheit von Bestandsbauwerken untersucht werden.
Ziel dieses Promotionsprojektes ist die Entwicklung einer Methode zur Bewertung der Tragsicherheit gealterter Stahl- und Spannbetonbauwerke. Dazu soll die Resttragfähigkeit auf Tragwerksebene (Systemebene) unter Berücksichtigung unterschiedlicher Schädigungsgrade (geschädigte Teilsysteme) mit besonderer Einbeziehung von Systemeinflüssen (Umlagerungsmöglichkeiten, noch nicht aktivierte Tragreserven etc.) mithilfe von modelltheoretischen und numerischen Untersuchungen erforscht werden. Darauf aufbauend soll eine Analyse der Versagensvorankündigung durch einen Vergleich der Resttragfähigkeiten unterschiedlicher Schädigungsgrade erfolgen. Zum Abschluss sollen unterschiedliche Tragwerkssysteme und Schädigungsszenarien mit der entwickelten Methode untersucht und bewertet werden.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075
Förderdauer/Laufzeit: 2019 - 2022
Ansprechpartner: Johannes Rathgen, M.Sc.
Veröffentlichungen:
Mit der derzeit in Bearbeitung befindlichen DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ soll eine Planungs- und Anwendungsgrundlage für den Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHFB) geschaffen werden. Während der Bearbeitung und Diskussion der Richtlinie kam die Frage auf, inwieweit die aktuellen Regelungen zur Bemessung und Konstruktion bei Ermüdungsbeanspruchung auf vorgespannte UHFB-Bauteile im Hoch- und Brückenbau übertragbar sind.
Die Vorteile von UHFB in Hinblick auf kleinere Bauteilabmessungen und geringere Eigenlasten ergeben ein größeres Verhältnis zwischen Verkehrs- und Eigenlasten im Vergleich zu normalfesten Betonen. Dies führt bei zyklisch beanspruchten Bauteilen aus UHFB zu einer ungünstigeren Ermüdungsbeanspruchung. Darüber hinaus ist bei UHFB-Bauteilen der Widerstand unter Ermüdungsbeanspruchung noch weitgehend unklar. Mit Bezug auf die eingebauten Spannglieder in UHFB-Spannbetonträgern bedeutet dies, dass für die Bewertung des Ermüdungsverhaltens belastbare theoretische und experimentelle Untersuchungen und Ergebnisse fehlen. Die grundsätzliche Fragestellung bei der Bewertung des Ermüdungsverhaltens von UHFB-Spannbetonträgern bezieht sich auf die Abminderung der Ermüdungsfestigkeit der eingebauten Spannglieder im Vergleich zu freien Litzen („strands in air“) bei Verwendung von UHFB. Eine mögliche Abminderung der Ermüdungsfestigkeit kann bei Spanngliedern im sofortigen Verbund z. B. durch erhöhte Reibeffekte zwischen Beton und Spannstahl als Folge des größeren Feinkornanteils bei UHFB sowie der höheren Betonsteifigkeit verursacht werden. Bei Spanngliedern im nachträglichen Verbund ist eine Abminderung der Ermüdungsfestigkeit durch eine im Vergleich zum Einpressmörtel erhöhte Betonfestigkeit und eine damit verbundene stärkere Querbeanspruchung der Hüllrohre und innen liegenden Spannglieder möglich.
Aus den genannten Gründen ist es erforderlich, die Ermüdungsthematik bei UHFB-Spannbetonträgern näher zu betrachten und anhand ausgewählter Versuche experimentell abzusichern.
Projektträger: Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt)
Förderdauer/Laufzeit: 2021-2022
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Um im Stahlbetonbau den Korrosionsschutz der Bewehrung, ein gutes Erscheinungsbild und ggf. die Dichtigkeit zu gewährleisten, müssen auftretende Rissbreiten auf ein gewisses Maß begrenzt werden. Für eine wirklichkeitsnahe rechnerische Ermittlung der Rissbreiten sind eine Vielzahl von Einflussparametern zu berücksichtigen. Insbesondere zeitabhängige Effekte, die sich infolge wechselnder Belastungszustände während der Lebensdauer eines Bauteils und des nichtlinearen Materialverhaltens (z. B. Verbundkriechen, Betonkriechen und Betonschwinden) ergeben, sind zu erfassen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll die Rissbreite in Stahlbetonbauteilen unter Berücksichtigung von Langzeiteffekten modelltheoretisch, experimentell und numerisch untersucht werden. Hierfür soll vor allem der lastpfadabhängige Schlupf zwischen der Bewehrung und dem umliegenden Beton, die innere Betonrissbildung im Bereich der Bewehrung (Sekundärrisse bzw. Goto-Risse) und die Rissaufweitung der Primärrisse von der Bewehrung zur Bauteiloberfläche berücksichtigt werden. Ziel der geplanten Untersuchungen ist die Quantifizierung lokaler Schädigungseffekte und deren Berücksichtigung bei der Berechnung von Rissbreiten. Von den Ergebnissen werden wichtige Erkenntnisse zur Berücksichtigung von bisher nur global oder vereinfacht erfassten Effekten sowie zum Einfluss von Beanspruchungsänderungen während der Nutzungsdauer (Lastpfadabhängigkeit) bei der rechnerischen Ermittlung von Rissbreiten erwartet.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075
Förderdauer/Laufzeit: 2018 - 2020
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Die Zustandsbewertung und Überwachung bestehender Brückenbauwerke erfordert gegenwärtig einen hohen Einsatz an Ressourcen. Zur Minimierung des zeitlichen und finanziellen Aufwands stellt die kontinuierliche Überwachung und Bewertung mittels Sensorik eine zukunftsweisende Alternative dar. Dazu wurde von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) das Konzept der „Intelligenten Brücke“ vorgeschlagen, das die Verknüpfung von Sensorik, Brückenmodell und zugehöriger Daten beschreibt und die zukunftsweisende Ausrichtung der Überwachung des bestehenden Brückenbestands auf Grundlage neuster technischer Entwicklungen zum Ziel hat.
Trotz zunehmender Fallstudien und Praxisprojekten zum Einsatz der Sensoren existieren aktuell nur wenige Beispiele, die den übergeordneten und nicht nur auf das Einzelobjekt bezogenen Mehrwert der sensorbasierten Daten für den Brückenbetreiber belegen können. Dies liegt unter anderem daran, dass die großen Datenmengen, die mit solchen Monitoringsystemen generiert werden, nicht ohne Weiteres in eine entscheidungsgerechte Information konvertiert werden können. Ferner ist eine langlebige und robuste digitale Dateninfrastruktur unerlässlich.
Ziel dieses Forschungsprojekts ist die konzeptionelle Entwicklung einer digitalen Infrastruktur für die “Intelligente Brücke”, mit der einerseits die verbesserte Zuverlässigkeit der Datenerfassung über die gesamte Lebensdauer der Brücke und andererseits eine höhere Aussagekraft der datenbasierten Informationen für die Entscheidungsfindung erzielt werden können. Dazu werden die gemessenen Daten in verschiedene Cluster unterteilt und mit Bezug auf die vier Ebenen einer intelligenten digitalen Infrastruktur (Datenerfassung, Datenmanagement und Datenaufbereitung bis hin zur wertvollen Information für die Entscheidungsfindung) strukturiert (siehe Abbildung). Mit dem Clusterbezug werden unterschiedliche Mess- und Speicherraten und damit auch Löschungsintervalle erforderlich, die beim Datenmanagement zusammen mit der Hardware- und Softwaresicherheit thematisiert werden. Auf Basis der Untersuchungen wird ein multivariantes Anforderungsportfolio für die digitale Dateninfrastruktur erstellt, welche die Verknüpfung der gemessenen Big-Data zu den bestehenden Datenbanken sowie zu den Key-Performance Indikatoren (KPI) der Brückenbauwerke ermöglicht.
Projektträger: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
Fachgebiet Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Technische Universität Braunschweig
Institut für Bauwirtschaft und Baubetrieb
Lehrstuhl für Infrastruktur- und Immobilienmanagement (IIM)
Prof. Dr.-Ing. Tanja Kessel
Förderdauer/Laufzeit: 2021-2022
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Mit dem stetig wachsenden Anteil an Schwerlastverkehr steigt gleichermaßen der Anspruch an eine leistungsfähige und dauerhafte Infrastruktur. Hierzu eignet sich die Ausführung der Fahrbahndecke als durchgehend bewehrte Betonfahrbahn (DBB). Infolge von Eigen- und Zwangsspannungen die aus Schwind- und Temperatureinflüssen resultieren, treten Risse in DBB auf, die sich zusätzlich durch nutzungsspezifische Beanspruchungen vergrößern können. Die auftretenden Rissabstände und Rissbreiten sind auf unkritische Maße zu beschränken, um eine definierte Kraftübertragung und ausreichende Dauerhaftigkeit sicherzustellen. Demzufolge ist es erforderlich, bereits bei der Bemessung eine zielsichere Abschätzung über zu erwartende Risse unter Berücksichtigung zeitlich und örtlich variabler Einflussfaktoren treffen zu können.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen anhand experimenteller, theoretischer und numerischer Untersuchungen verschiedene Einflussfaktoren (u. a. Bewehrungsdurchmesser, -grad und -lage, Lagerungsbedingungen, Zeitpunkt der Rissbildung) identifiziert und quantifiziert werden. Zusätzlich wird vorhandenes Wissen über Rissbildungsvorgänge und Rissmechanik auf die Randbedingungen von DBB übertragen und in Modelle überführt, welche mithilfe der durchzuführenden experimentellen Untersuchungen kalibriert werden.
Ziel des Forschungsvorhabens am iBMB ist es, auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen einen Ansatz zur Begrenzung der Rissabstände und Rissbreiten in stetigen Fahrbahnbereichen zu erarbeiten. Zusätzlich werden Empfehlungen für die konstruktive Durchbildung der Betonfahrbahndecke und den Unterbau ausgearbeitet.
Projektträger:
Das IGF-Vorhaben (Nr.: 20667 N / 2) des Gemeinschaftsausschusses Kaltformgebung e.V. (GAK) wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
Fachgebiet Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
RWTH Aachen University
Fachbereich Bauingenieurwesen
Lehrstuhl und Institut für Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
Technische Universität München
Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau
Prof. Dr.-Ing. Stephan Freudenstein
Förderdauer/Laufzeit: 2019 - 2021
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Hegger, J.; Chudoba, R.; Schmidt, C.; Empelmann, M.; Cramer, J.; Zühlsdorf, M.-R.; Freudenstein, S.; Bollin, M.: Optimierung von durchgehend bewehrten Betonfahrbahnen (DBB) – Zielsichere Prognose von Rissabstand und Rissbreite und Wirksame Risssteuerung. Schlussbericht zum IGF-Vorhaben Nr. 20667 N, 2021. (zum GAK)
Schmidt, C.; Bollin, M.; Cramer, J.; Chudoba, R.; Freudenstein, S.; Empelmann, M.; Hegger, J.: Untersuchungen zur Rissbildung in durchgehend bewehrten Betonfahrbahnen. In: Bauingenieur 96 (2021). Heft 10, S. 358–375.
Zur praxis- und ausführungsgerechten Ertüchtigung bzw. Verstärkung von biegebeanspruchten Betonbauteilen kann beispielsweise eine auf der Bauteiloberseite nachträglich aufgebrachte Ortbetonergänzung eingesetzt werden. Bei neueren Verstärkungsmaßnahmen im Ausland wird als Aufbeton anstatt eines normalfesten Betons (NSC) ein ultrahochfester Faserbeton (UHPFRC) verwendet. Aufgrund der sehr hohen Druckfestigkeit des UHPFRC kann die Dicke der Aufbetonschicht und damit das zusätzliche Eigengewicht sehr gering gehalten werden. Die zugegebenen Mikrostahldrahtfasern sorgen neben einer Steigerung des Tragwiderstands und der Steifigkeit für eine erhöhte Dauerhaftigkeit und verbesserte Gebrauchstauglichkeit.
Um das große Potenzial und die enorme Leistungsfähigkeit einer UHPFRC-Aufbetonergänzung als Verstärkungs- und Instandsetzungsmaßnahme in der Baupraxis nutzen zu können, sollen im Forschungsvorhaben auf Basis der in der Fachliteratur vorhandenen Versuche und eigenen Versuche eine Datenbank aufgebaut werden, aus der – nach einem Abgleich mit bestehenden normativen Ansätzen für normal- und hochfesten Beton – ein praxisgerechter Berechnungsansatz zur Schubkraftübertragung in Betonverbundfugen zwischen ultrahochfestem faserbewehrten Aufbeton und normalfestem Altbeton ohne Fugenbewehrung erarbeitet wird.
Projektträger: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb)
Förderdauer/Laufzeit: 2020
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Die derzeit eingesetzten ultrahochfesten Faserbetone (UHPFRC) weisen in der Regel sehr hohe Fasergehalte auf, um einem Versagen mit Sprödbruch entgegenzuwirken. Die hohe Faserzugabe führt unter Zugbeanspruchung zu einem überkritischen Zugtragverhalten mit hoher Nachrisszugfestigkeit, das einen erheblichen Einfluss auf das Trag- und Verformungsverhalten von UHPFRC-Bauteilen unter Biegung, Querkraft und Torsion hat. UHPFRC wird aufgrund der sehr hohen erzielbaren Festigkeiten im Vergleich zu Normalbeton vorzugsweise für schlanke und dünnwandige sowie gewichts- und leistungsoptimierte Bauteile eingesetzt, die allerdings aufgrund ihrer hohen Schlankheit besonders schwingungsanfällig sind. Unklar ist, inwieweit sich zyklische Beanspruchungen auf die Fasertragwirkung bzw. die Nachrisszugfestigkeit auswirken. Das Degradationsverhalten von UHPFRC unter Ermüdungsbeanspruchung ist aufgrund der wenigen vorhandenen Untersuchungen nur ansatzweise verstanden.
Daher sollen innerhalb dieses Teilprojektes des SPP 2020 – Schädigungsprozesse in faserbewehrtem ultrahochfestem Beton unter zyklischer Zugbeanspruchung – der Schädigungsverlauf und die Schädigungsmechanismen von UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung grundlegend experimentell und numerisch untersucht werden. Zum einen sollen systematisch abgestufte experimentelle Untersuchungen an kleinformatigen Probekörpern, wie Faserzugversuche, Faserauszugversuche und UHPFRC-Zugversuche durchgeführt werden. Mithilfe mechanischer Messverfahren und bildgebender Methoden, wie z. B. Digitalmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Computertomografie und photogrammetrischer Messsysteme sollen die Versuche ausgewertet, analysiert und dokumentiert werden. Zum anderen soll das Spannungs-Deformations-Verhalten von UHPFRC mathematisch-numerisch konsistent auf der Mesoskala modelliert werden. Kontinuumsmechanische Modelle mit Berücksichtigung von inelastischem Deformationsverhalten und Schädigung werden für die Beschreibung des Materialverhaltens der Einzelkomponenten unter Ermüdungsbeanspruchung erweitert. Das Verbundverhalten von Faser und Betonmatrix soll diskret mithilfe eines weiterzuentwickelnden Verbundmodells in Finite-Element-Analysen berücksichtigt werden.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erfassung, Beschreibung und Modellierung des Degradationsverhaltens von faserbewehrtem Ultrahochleistungsbeton unter zyklischer Zugbeanspruchung mit konsistenter Beachtung der Schädigungsentwicklung und -mechanismen auf der Mikro- und Mesoskala.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann
Technische Universität Braunschweig
Institut für Statik
Prof. Dr.-Ing Dieter Dinkler
Förderdauer/Laufzeit: 2017 - 2020
Ansprechpartner: Jan-Paul Lanwer, M.Sc.
Veröffentlichungen:
Im Rahmen des Verbundvorhabens „ConJack - Erforschung einer Gründungsstruktur von Offshore-Windenergieanlagen auf Basis einer Fachwerkstruktur aus Beton“ soll eine alternative Lösung für Gründungsstrukturen entwickelt werden, die technische, wirtschaftliche und ökologische Vorteile gegenüber den bisherigen Stahlstrukturen (Stahl-Jackets, Monopiles) für Anlagen in Wassertiefen von über 40 m aufweist. Die Hauptmotivation entsteht aus der Überzeugung hinsichtlich des Mehrwerts des Werkstoffs Beton (Verwendung eines Ultrahochleistungsbetons), so dass sich insbesondere im Bereich Wartung und Instandhaltung Vorteile im Vergleich zu den Stahl-Jackets oder XXL-Monopiles ergeben.
Wesentliche Elemente des „ConJacks“ stellen die an den Knotenpunkten der Konstruktion befindlichen Kontaktfugen bzw. Segmentfuge dar, an denen die Einzelsegmente miteinander verbunden werden. Am iBMB, Fachgebiet Massivbau sollen daher im Rahmen des Teilvorhabens „Beton-Segmentfugen unter statischer und zyklischer Beanspruchung bei sehr hohen Lastwechselzahlen“ vorrangig strukturmechanische Fragestellungen bzgl. der Betonknoten mit Segmentfugen untersucht werden. Durch theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit sowie Ermüdungsfestigkeit der Segmentfuge, soll eine sichere Auslegung sowie Ausführung eines robusten und zuverlässigen Knotenpunktes gewährleistet werden. Eine weitere Aufgabe besteht in der Mithilfe bei der Konzeption sowie der wissenschaftlichen und prüftechnischen Begleitung durchzuführender Großversuche zur Realisierung eines ConJack-Prototyps.
Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH (PTJ)/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Förderdauer/Laufzeit: 2017 - 2019
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann & Henrik Matz, M.Sc.
Veröffentlichungen:
Spannbetonbauteile mit Spanngliedern im sofortigen Verbund werden u. a. bei Kranbahnträgern, Decken im Industriebau, Türmen von Windenergieanlagen, Masten oder Brücken eingesetzt, die starken dynamischen Beanspruchungen mit hohen Lastwechselzahlen unterliegen. Bei diesen Bauteilen kommt der Sicherstellung einer ausreichenden Ermüdungsfestigkeit eine maßgebende Bedeutung zu, wobei das Ermüdungsversagen des Spannstahls häufig maßgebend wird.
Im Rahmen vorausgegangener Forschungsvorhaben am iBMB, Fachgebiet Massivbau konnte festgestellt werden, dass sich die Ermüdungsfestigkeit von eingebauten Spanngliedern im sofortigen Verbund (insbesondere im Dauerfestigkeitsbereich) deutlich von der freischwingend geprüfter Spannstahlproben unterscheiden kann, wobei letztere die Grundlage für die normativen Wöhlerlinien (u. a. nach EC2 und MC10) bilden.
Im aktuellen Forschungsvorhaben soll daher das Ermüdungsverhalten von Spanngliedern im sofortigen Verbund grundlegend untersucht werden. Anhand experimenteller, theoretischer und numerischer Untersuchungen sollen unterschiedliche struktur- und systembedingte Einflussfaktoren und Schädigungsmechanismen festgestellt und quantifiziert werden, die sich aus den komplexen Vorgängen und Beanspruchungen beim Ermüdungsprozess von Spanngliedern im sofortigen Verbund ergeben und die Ermüdungsfestigkeit des Spannstahls beeinflussen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, auf Grundlage dieser Untersuchungen ein Modell zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Spanngliedern im sofortigen Verbund abzuleiten, dass die Auswirkungen der verschiedenen Einflussfaktoren und Schädigungsmechanismen berücksichtigt.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderdauer/Laufzeit: 2017 - 2020
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Die Nachrisszugfestigkeit von Stahlfaserbeton wird auf Grundlage der charakteristischen Nachrissbiegezugfestigkeit der Leistungsklassen L1 (L1-Wert) und L2 (L2-Wert) bestimmt, wobei der L1-Wert für die Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) und der L2-Wert für die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) angewendet wird. Abweichend hierzu wird in der DAfStb-Richtlinie "Stahlfaserbeton" für den Rissbreitennachweis von Stahlfaserbeton mit Betonstahlbewehrung der L2-Wert herangezogen.
Im Rahmen des Vorhabens soll die Anwendung des L1-Wertes bei dem Rissbreitennachweise von Stahlfaserbeton mit Betonstahlbewehrung unter Auswertung einer Datenbank mit repräsentativen Versuchsergebnissen überprüft werden. Um die Vorhersagegenauigkeit des Rissbreitennachweises für Stahlfaserbeton mit Betonstahlbewehrung unter Anwendung des L1-Wertes gegenüber Bauteile aus Stahlbeton quantifiziert zu können, soll zusätzlich ein Abgleich experimenteller und rechnerischer Rissbreiten von Versuchen an Bauteilen aus Stahlbeton durchgeführt werden.
Projektträger: Verband der Stahlfaserhersteller e.V. (VDS)
Förderdauer/Laufzeit: 2018
Ansprechpartner: Jonas Cramer, M.Sc.
Veröffentlichungen:
Bestandsbauwerke wie Brücken sind während ihrer Nutzungsdauer u. a. erhöhter Verkehrsbeanspruchungen und mechanischer Alterung infolge zyklischer Beanspruchung (Ermüdung) unterworfen. Die Änderung der Materialeigenschaften von Beton infolge zyklischer Beanspruchung, gekoppelt mit den inhärenten Defiziten der Bestandsbauwerke, erfordern eine möglichst genaue Einschätzung der vorhandenen Tragreserven für die Nachrechnung der Bestandsbrücken. Häufig wird bei den Nachrechnungen (u. a. unter Querkraftbeanspruchung) auf die Zugtragwirkung von Beton als eine vernachlässigte Tragreserve zurückgegriffen. Die Betonzugtragwirkung soll zur Bestimmung der Tragreserven bzw. der Resttragfähigkeit von Bestandsbauwerken unter Berücksichtigung der mechanischen Alterung (Degradation) von Beton bestimmt werden.
Hierzu soll ein Modell zur Berücksichtigung der Zugtragwirkung von Beton unter mechanischer Alterung entwickelt werden. Dafür werden Versuche unter zyklischer Belastung durchgeführt und anschließend die vorhandene Resttragfähigkeit bzw. der Schädigungsgrad bestimmt. Aufgrund aktueller, in der Praxis diskutierter, Problemstellungen soll die Querkrafttragfähigkeit und hierbei insbesondere die Rolle der zeit- und beanspruchungsabhängigen Zugtragwirkung des Betons genauer untersucht werden. Basierend auf den experimentellen und numerischen Untersuchungen sollen Konzepte zur Evaluation der Resttragfähigkeit gealterter Massivbauwerke entwickelt werden.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075
Förderdauer/Laufzeit: 2015 - 2018
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Im Rahmen der 2. Förderperiode des DFG-Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ wird am iBMB, Fachgebiet Massivbau das Teilprojekt "Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile unter Querkraft- und Torsionsbeanspruchung" bearbeitet.
In der 1. Förderperiode des SPP 1542 wurden am iBMB, Fachgebiet Massivbau dünnwandige Betonhohlbauteile entwickelt, deren Wandstärken von 2,5 bis 3,0 cm im Bereich der aktuellen Betondeckung liegen. Zur Umsetzung dieser Wandstärken wurde ein hochfester, selbstverdichtender Feinkornbeton gewählt und mehrere innovative Bewehrungskonzepte überprüft. Hierbei wurde insbesondere der Einsatz einer mehrlagigen Mikrobewehrung aus geschweißten Drahtgittern als vorteilhaft identifiziert. Versuche zum Tragverhalten der dünnwandigen Betonhohlbauteile unter überwiegender Normalkraft- und Biegebeanspruchung zeigten, dass trotz des geringen Materialeinsatzes hohe Traglasten erreicht werden können. Um den Einsatz der ultraleichten Betonhohlbauteile in ebenen und räumlichen Fachwerkstrukturen, aufgelösten Trägern oder Mastkonstruktionen zu ermöglichen, sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.
In der 2. Förderperiode sollen daher weitergehende theoretische und experimentelle Untersuchungen für die Beanspruchungssituationen „Querkraft“ und „Torsion“ erfolgen, auf deren Basis zudem theoretische und konstruktive Grundlagen für Entwurf, Berechnung und Herstellung von dünnwandigen, stabförmigen Betonhohlbauteilen unter allgemeinen Beanspruchungssituationen erarbeitet werden können.
Im Zuge der Bearbeitung wurden bereits umfangreiche Versuche zum Biege- und Querkrafttragverhalten mikrobewehrter Betonbauteile durchgeführt. Zur Untersuchung des Biegetragverhaltens wurden 4-Punkt-Biegeversuche an mikrobewehrten Biegebalken durchgeführt (s. Bild links). In den Versuchen zum Querkrafttragverhalten wurden profilierte, dünnwandige Träger mit mikrobewehrtem Steg geprüft (Bild rechts). Insgesamt konnte gezeigt werden, dass mit der Mikrobewehrung ein mit konventionellen Stahlbetonbauteilen vergleichbares Tragverhalten erreicht werden kann. Er konnten jedoch deutlich feinere Rissbilder und erhöhte Verformungen beobachtet werden.
Derzeit laufen weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Tragverhalten der dünnwandigen, mikrobewehrten Betonhohlbauteilen unter Querkraft- und Torsionsbeanspruchung. Hierzu sind bis zum Abschluss des Teilprojekts weitere Versuche an dünnwandigen, mikrobewehrten Betonhohlbauteilen geplant.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderdauer/Laufzeit: 2014 - 2017
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Für den Einsatz in Offshore-Windkraftanlagen bzw. Küsten- und Hafenbauwerken soll im Rahmen des Forschungsprojektes der Einsatz einer nichtmetallischen Basaltfaserbewehrung (BFRP) in außerordentlich dauerhaften, dünnwandigen Betontragkonstruktionen aus ultrahochfestem Beton (UHPC) untersucht werden. Als Bauteile werden u. a. Stützen und Balken untersucht, die im Schleuderverfahren hergestellt werden.
Zu Beginn werden Materialuntersuchungen am Bewehrungssystem und am eingesetzten UHPC durchgeführt. Dabei werden hinsichtlich des BFRP bestehende Systeme untersucht und auf den hier vorliegenden Anwendungsfall optimiert. Zusätzlich sollen die Materialkennwerte mit Hilfe von statischen und dynamischen Versuchen ermittelt werden. Anschließend werden mit kleinmaßstäblichen Versuchen Aussagen zum Verbund- und allgemeinen Tragverhalten getroffen. Anschließend sollen großmaßstäbliche Bauteilversuche an Stützen, Balken sowie Platten unter z. T. kombinierten Beanspruchungssituationen durchgeführt und mit numerischen Berechnungen abgeglichen werden.
Projektträger: Forschungsinitiative "Zukunft Bau" - Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR)
Förderdauer/Laufzeit: 2015 - 2017
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Im modernen Hochbau ist eine anhaltende Entwicklung zu Tragwerken mit immer weniger und gleichzeitig immer schlankeren Stützen zu beobachten. Dieser Umstand bewirkt eine höhere Belastung der verbleibenden Druckglieder. Druckglieder mit großen Stabdurchmessern gewinnen daher zunehmend an Bedeutung. Die Verwendung von Längsbewehrung mit Stabdurchmessern ≥ 32 mm ermöglicht z. B. eine Verringerung der erforderlichen Bewehrungslagen, trägt zu einer vereinfachten Bewehrungsführung bei und bewirkt einen reduzierten Arbeitsaufwand beim Verlegen der Bewehrung. Durch diese Bewehrungskonzentration können hohe Bewehrungsgrade erreicht werden, die neue Möglichkeiten eröffnen. So kann z. B. die Tragfähigkeit von Stützen mit gleichbleibenden Querschnittsabmessungen gesteigert werden, während die Querschnittsabmessungen von Stützen mit gleichbleibender Tragfähigkeit hingegen reduziert werden können.
Im Gegensatz zu herkömmlicher Bewehrung, ist die Verwendung von Längsbewehrung mit Stabdurchmessern ≥ 32 mm an die Einhaltung zusätzlicher Konstruktionsregeln gebunden. Nach DIN EN 1992-1-1 umfassen diese Regeln für Druckglieder unter anderem Angaben zur Mindestabmessung, dem Grenzwert der Betondruckfestigkeit, den Abständen und Durchmessern der Bügelbewehrung, der maximalen Anzahl von Bewehrungsstäben je Bügelecke sowie zur Ausbildung von Druckstößen.
Obwohl die Ergebnisse des vorausgegangenen Forschungsvorhabens IGF 16992 gezeigt haben, dass die Bemessungs- und Konstruktionsregeln herkömmlicher Bewehrung für Längsbewehrung mit Stabdurchmessern ≥ 32 mm in weiten Teilen übernommen werden können, blieben einige Fragen unbeantwortet. Im Rahmen des aktuellen Forschungsvorhabens sollen diese Fragen beantwortet und weiterführende Fragestellungen untersucht werden. Ziel ist es die bestehenden Einschränkungen zu entschärfen und die aktuellen Bemessungs- und Konstruktionsregeln auf Grundlage abgesicherter Ergebnisse weiterzuentwickeln.
Projektträger:
Das IGF-Vorhaben (16992N/1) des Gemeinschaftsausschusses Kaltformgebung e.V. (GAK) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Lehrstuhl und Institut für Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
Technische Universität Kaiserslautern
Fachgebiet Massivbau und Baukonstruktion
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell
Förderdauer/Laufzeit: 2015 - 2017
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Da Massivbauwerke während ihrer Nutzung häufig dauernd wirkenden Lasten ausgesetzt sind, soll innerhalb des Teilprojektes „Auswirkungen von Dauerlasten auf das Tragverhalten von Massivbauteilen“ des Graduiertenkollegs 2075 – Modelle für die Beschreibung der Zustandsänderung bei Alterung von Baustoffen und Tragwerken – das Materialverhalten von verschiedenen Betonen unter Dauerbeanspruchung untersucht werden.
Das Dauerstandverhalten von Beton ist vor allem bei druckbeanspruchten Bauteilen von hoher Bedeutung. Dies betrifft u. a. hoch beanspruchte Stützen oder Wände, unbewehrte Fundamente oder Biegebauteile mit großen Betondruckzonen. Die Betontechnologie hat sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt, die Untersuchungen des Dauerstandverhaltens von Beton aus der Literatur liegen schon relativ weit zurück (ca. um 1960 und älter) und die Untersuchungen wurden nur an Normalbeton vorgenommen. Daher sollen das Dauerstandverhalten und die beeinflussenden Faktoren auf das Dauerstandverhalten, auch von den neuentwickelten Betonen (z. B. Hochfester Beton etc.), untersucht werden. Außerdem wird der Einfluss von Betonstahlbewehrung (Störung der Spannungsverläufe, aber auch Umlagerungsmöglichkeit) und Einflüsse aus Vorschädigungen (Alterung) der Versuchskörper in Hinblick auf das Dauerstandverhalten betrachtet.
Neben der Zusammenstellung der Grundlagen (Literaturrecherche) werden experimentelle Untersuchungen an Versuchskörpern mit unterschiedlichen (der Nutzung von Bauwerken nachempfundenen) einwirkungs- bzw. zeitabhängigen Belastungsniveaus vorgenommen. Weitere zu untersuchende Parameter sind u. a. das Betonalter bei Erstbelastung und die Lagerungsbedingungen der Versuchskörper.
Basierend auf den Versuchsergebnissen sollen Konzepte bzw. Modelle zur Berücksichtigung des Dauerstandeffektes für verschiedene Betone entwickelt werden.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075
Förderdauer/Laufzeit: 2016 - 2019
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer umwelt- und ressourcenschonenden Bauweise für Freileitungsmaste im Zuge von Höchstspannungsleitungen, die durch die kompakte Anordnung der Leiterseile zu einer wesentlichen Reduzierung der Trassenbreite und des erforderlichen Flächen- und Raumbedarfs führt. Es sollen technische Lösungen entwickelt werden, die den hohen Anspruch an die technische Sicherheit einer Höchstspannungsleitung gewährleisten. Ein weiteres Ziel ist, dass diese Bauweise zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten, die dem Niveau von bestehenden Gittermastbauweisen entsprechen, umsetzbar sein soll und zu geringen Lebenszykluskosten führt.
Das Verbundvorhaben gliedert sich in folgende Teilaufgaben:
TP1: Entwurf einer Referenz-Freileitung und Bestimmung von Grundlagenparametern
TP2: Entwicklung von Isoliertraversen
TP3: Entwicklung einer optimierten UHPC-Rezeptur und Bestimmung der bemessungsrelevanten
Materialparameter
TP4: Untersuchungen zum Einfluss elektrischer, thermischer und mechanischer Belastung auf die
Materialparameter sowie die elektrische Lebensdauer des bewehrten UHPC
TP5: Untersuchungen zum Tragverhalten von Schleuderbeton-Höchstspannnungsmasten aus UHPC
TP6: Untersuchungen zum Tragverhalten von Kompakthöchstspannungsmasten aus Stahl mit polygonalem
Querschnitt
TP7: Entwicklung von Verbindungs- und Fügetechniken für Kompakthöchstspannungsmasten
TP8: Sicherstellung des Transfers für eine Pilotanwendung
Das iBMB, Fachgebiet Massivbau ist an den TP3, TP5, TP7 und TP8 beteiligt. Den Abschlussbericht des iBMB zum Verbundvorhaben können Sie hier herunterladen. Die Berichte der Projektpartner finden Sie hier unter dem Stichwort "KoHöMaT".
Verwertung der Forschungsergebnisse
Der Netzbetreiber TenneT lässt zwei 380-kV Trassenabschnitte (80 km) mit insgesamt 473 "KoHöMaT" bauen. Ab 2018 realisieren die Europoles GmbH & Co. KG aus Neumarkt i. d. Opf. in Zusammenarbeit mit dem niederländischen Bauunternehmen Heijmans das rund 220 Millionen Euro teure Projekt. Weitere Informationen dazu finden Sie hier.
Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH (PTJ)/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Förderdauer/Laufzeit: 2013 - 2016
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Mit Einführung des Eurocode 2 (EC2) wurde für jeden CEN-Mitgliedsstaat ein zugehöriger Nationaler Anhang erarbeitet, welcher die Anwendungen der Regeln in den jeweiligen Ländern ermöglichen soll. In den Nationalen Anhängen der Länder wurden somit Faktoren mit unterschiedlichen Werten festgelegt. Dies betrifft auch die Beiwerte αcc, αct und kt. Im Rahmen der Bearbeitung werden die Ansätze bzw. Untersuchungen zur Festlegung der genannten Beiwerte nach EN 1992-1-1 zusammengestellt und ausgewertet.
Innerhalb des Forschungsvorhabens werden Hintergrundinformationen zum Dauerstandverhalten von Normalbeton recherchiert. Auf Basis der Recherche und unter Berücksichtigung der Entwicklung der Betontechnologie sollen die Beiwerte αcc, αct und kt neu bewertet werden.
Bild 1 zeigt eine Auswertung des Faktors αcc. Zu sehen sind die in den Nationalen Anhängen zum EC2 festgelegten Werte im Vergleich zu Wertebereichen, welche durch die Untersuchungen festgelegt werden konnten.
Projektträger: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e.V. (DAfStb) / Initiative Praxisgerechte Regelwerke im Bauwesen e.V.
Förderdauer/Laufzeit: 2016 - 2016
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Bild 1: Darstellung der αcc Werte der Nationalen Anhänge der Länder im Vergleich mit den durch die Untersuchungen aus der Literatur erzielten Wertebereichen
In Vorbereitung der Entwurfsphase einer neuen Generation Eurocodes sollen die Hintergründe aktuell vorliegender Konzepte zum Nachweis der Rissbreitenbegrenzung (DIN 1045, EC 2, MC 2010) analysiert und verglichen werden.
Hierzu sind vor allem Datenbankauswertungen und Vergleichsberechnungen geplant. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Berechnungen sollen Vorschläge für ein auf europäischer Ebene einzubringendes Nachweiskonzept erarbeitet werden. Hierbei sind zusätzlich die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit der kalibrierten Gleichungen zu prüfen und zu begründen. Ferner sind die Regelungen zur Rissbreitenbegrenzung auf Notwendigkeit, Praxistauglichkeit, Klarheit und einfache Anwendbarkeit zu überpüfen und Vorschläge für eine entsprechende Anpassung zu erarbeiten.
Projektträger: Initiative Praxisgerechte Regelwerke im Bauwesen e.V. (PRB)
Förderdauer/Laufzeit: 2014 - 2015
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann & Jonas Cramer, M.Sc.
Veröffentlichungen:
Im Rahmen von zwei DIBt-Forschungsvorhaben wurde das Ermüdungsverhalten von Spannstählen sowohl im nachträglichen als auch im sofortigen Verbund theoretisch und experimentell untersucht. Hierzu wurden die in der internationalen Fachliteratur vorhandenen Ermüdungsversuche an klein- und großmaßstäblichen Versuchskörpern im Rahmen einer Datenbank unter Berücksichtigung diverser Einflussfaktoren zusammenfasst und den normativen Regelungen nach EC2 gegenübergestellt.
Für Spannglieder im nachträglichen Verbund zeigte sich im Zeitfestigkeitsbereich eine gute Übereinstimmung zwischen den Versuchsergebnissen und den Wöhlerlinien, während im Dauerfestigkeitsbereich kaum Versuche durchgeführt wurden. Bei den eigenen experimentellen Untersuchungen standen der bisher in den Normen nicht berücksichtigte Einfluss unterschiedlicher Hüllrohrkrümmungen und unterschiedlicher Betonfestigkeiten im Dauerfestigkeitsbereich im Fokus (Versuchskörper B1 bis B4). Hierbei konnten sowohl Versuchsergebnisse aus der Literatur bestätigt als auch Defizite in Bezug auf die normativen Angaben aufgezeigt werden.
Für Spannglieder im sofortigen Verbund konnte im Bereich geringer Schwingbreiten (< 200 N/mm²) und hoher Lastwechselzahlen (> 10^6) eine deutliche Abweichung zwischen den Ergebnissen an Spannbettbindern und den normativen Wöhlerlinien, die auf freischwingend geprüfte Spannstahlproben basieren, festgestellt werden. Die im Dauerfestigkeitsbereich reduzierte Ermüdungsfestigkeit von Spanngliedern im sofortigen Verbund im Vergleich zu freischwingenden Spannstählen konnte anhand eigener experimenteller Untersuchungen bestätigt werden (Versuchskörper B5).
Projektträger: Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt)
Förderdauer/Laufzeit: 2013 - 2015
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Remitz, J.; Empelmann, M.: Ermüdungsnachweis der Bewehrung bei Spannbetonbauteilen. In: Seminarband zum VSVI-Seminar Nr. 10 „Brücken- und Ingenieurbau“, S. 73-78, Braunschweig, 2016.
Die Verwendung von Betonstählen mit großen Durchmessern ≥ Φ32 mm kann in baupraktischer Hinsicht aus mehreren Gründen sinnvoll sein. So lassen sich bei hoch bewehrten Konstruktionen, wie z. B. stark beanspruchten Fundamentplatten oder Stützen, signifikante Vereinfachungen in der Bewehrungsführung erzielen. Die Verwendung größerer Stabdurchmesser verringert die Anzahl der Bewehrungslagen und damit den Arbeitsaufwand beim Verlegen, vergrößert die statische Nutzhöhe und vereinfacht wegen der größeren Stababstände das Betonieren.
Durch die mit großen Stabdurchmessern vereinfachten Bewehrungsführungen kann auch der Bewehrungsgrad von einzelnen Bauelementen erhöht werden, sodass sich größere Tragfähigkeiten bei gleichen Abmessungen realisieren lassen. Insgesamt ist durch die Anwendung von Stabdurchmessern ≥ Φ32 mm eine erhebliche Weiterentwicklung der Stahlbetonbauweise zu erwarten.
Bei der Bemessung und konstruktiven Durchbildung von Druckgliedern werden in DIN EN 1992-1-1 Vorgaben z. B. hinsichtlich der Stützengeometrie und des Bewehrungsgrades gemacht. Die Verwendung von großen Stabdurchmessern kann dabei zu wirtschaftlicheren und ausführungstechnisch günstigeren Lösungen führen (bessere Betonierbarkeit). Außerdem kann der Stahltraganteil einer Stütze (maximaler Bewehrungsgehalt) vergrößert werden. Des Weiteren ist eine Umschnürungsbewehrung in Form von Bügeln notwendig, um ein frühzeitiges, seitliches Ausknicken der Betonstähle bei größeren Bügelabständen zu verhindern. Hierbei sind Stabdurchmesser und Bewehrungsgrad der Längsbewehrung die maßgebenden Eingangsgrößen zur Bestimmung der erforderlichen Bügelbewehrungsmenge und der Bügelabstände. Bei einer Längsbewehrung aus großen Stäben (≥Φ 32) fehlt eine Absicherung dieser Zusammenhänge durch Bauteilversuche. Von besonderer Bedeutung ist auch die Ausbildung von Druckstößen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Klärung der offenen Fragen zur Bewehrungsführung und zu den Bemessungsregeln bei großen Betonstahldurchmessern Ø32 mm bis Ø40 mm. Als Ergebnis sollen abgesicherte Bemessungs- und Konstruktionsregeln für große Betonstahldurchmesser zur Verfügung stehen, die zur technischen und wirtschaftlichen Weiterentwicklung der Stahlbetonbauweise ganz generell sowie der Bewehrungstechnik im Speziellen beitragen.
Förderdauer/Laufzeit: 2012 - 2014
Projektträger:
Das IGF-Vorhaben (16992N/1) des Gemeinschaftsausschusses Kaltformgebung e.V. (GRK) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Lehrstuhl und Institut für Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
Technische Universität Kaiserslautern
Fachgebiet Massivbau und Baukonstruktion
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
Hegger, J,; Schoening, J.; Schnell, J.; Schäfer, M.; Empelmann, M.; Oettel, V.: Weiterentwicklung von Bemessungs- und Konstruktionsregeln bei großen Stabdurchmessern (> 32 mm, B500). Abschlussbericht zum IGF-Vorhaben 16992N/1, 2015. (Link)
Hauptziel des Schwerpunktprogramms 1542 "Leicht Bauen mit Beton - Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien", das von der Deutschen Forschungsgesellschaft gefördert wird, ist das Schaffen der Grundlagen für eine neue Art zu entwerfen, zu konstruieren und zu bauen. Ein Teilprojekt innerhalb des Schwerpunktprogramms 1542 – Leicht Bauen mit Beton ist das Projekt EM 203/6-1:
"Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile".
Das Forschungsvorhaben bezieht sich auf grundlegende Untersuchungen von ultraleichten, dünnwandigen, vorgefertigten stabförmigen Betonhohlbauteilen. Diese Hohlbauteile können entweder als Einzelbauteile (z. B. Hochhausstütze), als Teil eines stabförmigen Bauteils (z. B. Segment eines Turmbauwerks oder Mastes) oder als Teil eines flächenartigen Bauteils (z. B. Raumgitterstrukturen) eingesetzt werden (Bild 1). Vorbild für diese Betonstäbe ist der Bambus, ein extrem leichtes, dennoch hochfestes Hohlprofil.
Bild 1: Anwendungsmöglichkeiten für „Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile“
www.flickr.com/photos/alanstanton/8553424416, www.flickr.com/photos/ciudadartesyciencias/7003124349
und www.flickr.com/photos/brewbooks/176247670 (Creative Commons Licence CC BY-SA 2.0)
Konzeption der Versuchskörper
Um dünnwandige stabförmige Stahlbetonbauteile mit hoher Traglast herstellen zu können sind im Vergleich zu Bauteilen aus Normalbeton Anpassungen erforderlich. Um trotz der geringen Querschnittsfläche hohe Traglasten erreichen zu können wird ein hochfester Feinkornbeton auf Basis des Dyckerhoff-Compounds „Flowstone“ verwendet. Da eine konventionelle Bewehrungskonzeption aufgrund der geringen Wandstärken nur bedingt umgesetzt werden kann wurden drei alternative Bewehrungskonzepte untersucht (Bild 2).
Bild 2: Untersuchte Bewehrungskonzepte und Versuchskörper der Serie S1
Versuchsprogramm
Die Versuchskörper werden unter überwiegender Normalkraftbeanspruchung mit geringen Exzentrizitäten (0,5 cm, 2 cm und 5 cm) geprüft. Mit einer Nachrechnung der Versuche an einem nichtlinearen Stabmodell konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse der Versuche sehr gut abgebildet werden können (Bild 4). Um eine möglichst genaue Nachrechnung zu ermöglichen wurden parallel zu den Versuchen an Betonzylindern sowie Stahlproben die Arbeitslinien der verwendeten Baustoffe ermittelt.
Bild 3: Vergleich der Last-Verformungskurven in Versuch und Berechnung (Versuchsreihe S1)
Zusammenfassung der aktuellen Ergebnisse
Zusammenfassend können auf Basis des aktuellen Bearbeitungsstands folgende Punkte festgehalten werden:
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Weitere Informationen zum Schwerpunktprogramm: www.spp1542.tu-dresden.de
Förderdauer/Laufzeit: 2011 - 2014
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Kurzberichte zu diesem Projekt (Pdf-Datei 1 und 2)
Veröffentlichungen:
Der zunehmende Verkehr und daraus resultierende Schädigungsprozesse sowie die Alterung der Baustoffe und neue Bemessungsnormen bedingen in letzter Zeit vermehrt eine Nachrechnung von bestehenden Brücken in Deutschland. Grundlage dafür ist die vom Bundesverkehrsministerium erarbeitete Nachrechnungsrichtlinie.
Zur Sicherstellung der verkehrlichen Nutzung bietet die Nachrechnungsrichtlinie auch die Möglichkeit an, am Bauwerk eine kompensierende Überwachungsmaßnahme vorzunehmen. Hierzu zählen permanente Kontrollmechanismen, wie z. B. die Einrichtung eines Monitoringsystems, oder die Ergreifung zusätzlicher bzw. ergänzender Maßnahmen der Bauwerksprüfung, z. B. verringerte Prüfabstände.
Häufig führt die Bauwerksüberprüfung in Form einer Inspektion zu subjektiven Ergebnissen und birgt die Gefahr des Schadenseintritts zwischen den einzelnen Prüfterminen. Mit einem permanenten Überwachungssystem lassen sich dagegen kontinuierliche und objektive Zustandswerte bestimmen. Mit der Installation eines sensorbasierten Alarmsystems mit definierten Schwellwerten kann so z. B. die Überschreitung kritischer Kenngrößen, wie Durchbiegung, Neigung oder Rissweite, kontinuierlich überwacht werden. Vorab bedarf es dazu der Systemidentifikation des Bauwerks, um die kritischen Schwellwerte definieren zu können.
Ziel dieses gemeinsam von dem Fachgebiet Massivbau und dem Fachgebiet Baustoffe und Stahlbetonbau des iBMB der TU Braunschweig bearbeiteten Forschungsvorhabens „Überwachungskonzepte für Bestandsbauwerke aus Beton als Kompensationsmaßnahme zur Sicherstellung von Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit“ des Projektträgers Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ist es, auf spezielle Defizite von Bestandsbrücken abgestimmte Monitoringkonzepte als kompensierende Überwachungsmaßnahmen zu entwickeln und den erzielbaren Sicherheitsgewinn zu quantifizieren.
Gegenstände des Forschungsprojektes sind dabei:
Projektträger: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Förderdauer/Laufzeit: 2012 – 2013
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Innerhalb dieses Teilprojektes des SPP 1182 - Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton - in der dritten Förderperiode wurden das Last-Verformungs-Verhalten von dünnwandigen monolithischen und segmentären Balken mit Hohlkastenquerschnitt aus faserbewehrtem ultra-hochfestem Beton (UHPFRC) unter Torsion sowie der kombinierten Beanspruchung aus Vorspannung, Biegung, Querkraft und Torsion experimentell, numerisch und theoretisch untersucht. Ferner wurden Bemessungs- und Konstruktionsregeln in Anlehnung an die DIN EN 1992-1-1 entwickelt, die als Grundlage für die Ausarbeitung einer UHPC-Richtlinie ergänzend zu DIN EN 1992-1-1 dienen sollen.
Zunächst wurde die Zugstrebentragfähigkeit von monolithischen Balken mit Hohlkastenquerschnitt unter reiner Torsionsbeanspruchung untersucht. Auf Basis der erzielten Ergebnisse wurden für faser- und kombibewehrte Balken Bemessungsgleichungen entwickelt, ein Ansatz zur Berücksichtigung der Stahlfasern bei der Mindesttorsionsbewehrung aufgestellt und Konstruktionsregeln vorgeschlagen.
Im Anschluss erfolgte die Untersuchung der Druckstrebentragfähigkeit an extern vorgespannten monolithischen und segmentären Balken mit Hohlkastenquerschnitt unter reiner Torsion. Mit Hilfe der Versuchsergebnisse konnte für den verwendeten UHPFRC der Abminderungsfaktor der einaxialen Druckfestigkeit abgeleitet und die Übertragbarkeit der Bemessungsgleichung der Druckstrebe der DIN EN 1992-1-1 für Hohlkastenquerschnitte mit einseitiger Wandbewehrung aus UHPFRC aufgezeigt werden.
Abschließend wurde die Druckstrebentragfähigkeit bei kombinierter Beanspruchung aus Torsion, Biegung und Querkraft an extern vorgespannten monolithischen und segmentären Balken mit Hohlkastenquerschnitt untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die lineare Interaktionsbedingung für die kombinierte Beanspruchung aus Querkraft und Torsion der DIN EN 1992-1-1 in guter Näherung auch für monolithische und segmentäre Balken mit Hohlkastenquerschnitt aus UHPFRC gilt.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Kurzbericht zu diesem Projekt (PDF-Datei)
Veröffentlichungen:
Innerhalb der dritten Förderperiode des Schwerpunktprogramms “Nachhaltiges Bauen mit ultrahochfestem Beton (UHFB)” (SPP 1182) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurde das Last-Verformungsverhalten dünnwandiger Bauteile mit Kreisringquerschnitt aus UHPC unter zentrischer und exzentrischer Normalkraftbeanspruchung sowie der kombinierten Beanspruchung aus Normalkraft, Biegung und Querkraft untersucht. Diese Forschungsprojekt stellt eine Erweiterung der am iBMB innerhalb der ersten beiden Förderperioden des SPP 1182 durchgeführten Arbeiten dar, in denen experimentelle und theoretische Untersuchungen an Bauteilen mit quadratischem Vollquerschnitt aus UHPC unter zentrischer und exzentrischer Normalkraftbeanspruchung durchgeführt wurden. Hierin konnten u. a. Konstruktionsempfehlungen formuliert werden, die ein robustes Bauteilversagen der UHPC-Stützen sicherstellen. Die wesentlichen konstruktiven Maßnahmen sind die Zugabe von Stahlfasern, die Erhöhung des Querbewehrungsgrades sowie der Einsatz einer hochfesten Längsbewehrung.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Kurzberichte zu diesem Projekt (PDF-Datei 1 und 2)
Veröffentlichungen:
Innerhalb eines vom BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie) geförderten ZIM-Projektes (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Last-Verformungsverhalten von Schleuderbetonstützen aus hochfester Betonstahlbewehrung und ultra-hochfestem Beton durchgeführt. Des Weiteren wurde das Kurz- und Langzeit-Materialverhalten der eingesetzten Hochleistungswerkstoffe untersucht.
Projektträger: AiF Projekt GmbH (Projektträger für die Fördersäule ZIM-Kooperationsprojekte)
Kooperation mit: Stahlwerk Annahütte, Hammerau und Europoles GmbH & Co. KG, Neumarkt
Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Kurzberichte zu diesem Projekt (PDF-Datei 1 und 2)
Veröffentlichungen:
Adaptiv bedeutet so viel wie anpassungs- oder wandlungsfähig. Für eine adaptive Brücke ist eine Anpassung an eine erhöhte Belastung ebenso denkbar wie eine Anpassung der Verkehrsfläche, der Brückenausstattung oder des Zustandes der Brücke. Die spätere Anpassung kann direkt bei der Planung berücksichtigt werden und einen schnellen und einfachen Einbau von Verstärkungselementen ohne Eingriff in die Substanz ermöglichen.
Grundsätzlich sind für die Anpassung von Brückenbauwerken unterschiedliche Ansätze denkbar:
Ganzheitliche Verstärkungskonzepte
Für die Verstärkung eines Hohlkastens in Querrichtung wurden folgende Elemente untersucht:
In Längsrichtung wurden Fachwerkstrukturen (s. Bild) untersucht, deren konstruktive Durchbildung entscheidend für die Wirksamkeit der Verstärkung ist. Um die optimale Lösung zu finden, wurden folgende Parameter variiert:
Im Rahmen der Untersuchungen zeigte sich, dass vor allem die Vorspannung einen großen Einfluss auf die Wirksamkeit hat. Während ein nicht vorgespanntes Fachwerk praktisch nur eine Erhöhung des Eigengewichts bewirkt, hat ein vorgespanntes Fachwerk sowohl für Biege- als auch für Querkraftnachweise einen positiven Einfluss.
Der letzte Schritt zu einem ganzheitlichen Konzept ist die Entwicklung einer Kombination der Maßnahmen in Quer- und Längsrichtung (s. Bild).
Um die Wirksamkeit der Verstärkungsmaßnahmen sicherstellen zu können, müssen die zusätzlichen Elemente kraftschlüssig mit der vorhandenen Struktur verbunden werden. Für die bereits beschriebenen Verstärkungskonzepte in Querrichtung sind zwei unterschiedliche Anschlusstypen notwendig. Die stützenden Streben werden punktuell am Brückenüberbau befestigt, wohingegen die Rippen linienförmig mit der vorhandenen Struktur gekoppelt werden. Zur Kopplung des Fachwerks mit dem Überbau werden punktuelle Verbindungen in den Knotenelementen gewählt.
Projektträger: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Kooperation mit: HOCHTIEF Construction AG/HOCHTIEF Consult Infrastructure, Essen
Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Kurzbericht zu diesem Projekt: (PDF-Datei)
Veröffentlichungen:
Teilprojekts 6: Anwendung von Life-Cycle-Konzepte auf Infrastrukturbauwerke
Lebensdauermanagement bzw. Life-Cycle-Engineering (LCE) umfasst alle Maßnahmen zur Sicherstellung der Funktionalität der Bauwerke während aller Lebensphasen. Dies ist eine der großen Herausforderungen an das Bauen in der Zukunft, da die zur Verfügung stehenden Ressourcen knapper werden und die langzeitige Nutzbarkeit der Infrastrukturanlagen nach Kriterien der Nachhaltigkeit, wie der technischen Sicherheit, der Wirtschaftlichkeit sowie der ökologischen Anforderungen, gewährleistet sein muss.
Tragwerke müssen während ihrer gesamten Nutzung zuverlässig sein. Da sie diversen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, nimmt die Zuverlässigkeit über die Zeit ab, womit ihre Nutzungsdauer begrenzt ist. Aktuell wird die
Dauerhaftigkeit eines Stahlbetonbauteils meist über das Einhalten von deskriptiven Regeln nach DIN 1045-1
sichergestellt. Bei einigen bedeutenden Projekten wurde der Grenzzustand „Depassivierung der Bewehrung“
nach einem Positionspapier des DAfStb ausgewertet. Für beide Vorgehensweisen gilt, dass die Zuverlässigkeit
der Tragfähigkeit des Tragwerks am Ende der Lebensdauer unbekannt ist. Daher wurde am Institut für
Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB), Fachgebiet Massivbau, der TU Braunschweig eine alternative
probabilistische Lebensdauersimulationen entwickelt, die auf dem Grenzzustand der Tragfähigkeit basiert und
fortschreitende Bewehrungskorrosion berücksichtigt.
Projektträger: Niedersächsische Technische Hochschule (NTH) als Allianz der TU Braunschweig, TU Clausthal und LU Hannover
Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Kurzberichte zu diesem Projekt: (PDF-Datei 1 und 2)
Veröffentlichungen:
Die Rissbildung ist ein charakteristisches Phänomen der Stahlbetonbauweise. Übermäßige Rissbreiten können zur Korrosion der Betonstahlbewehrung, einer Herabsetzung der Dauerhaftigkeit, Leckagen oder einem inakzeptablen Erscheinungsbild von Stahlbetonbauteilen führen. Für eine sichere und nachhaltige Bemessung von Stahlbetonbauteilen sind deshalb grundlegende Kenntnisse über den Rissbildungsprozess, die mechanischen Beziehungen im gerissenen Bauteil und die zutreffende Berechnung der Rissbreiten von Bedeutung.
Die mechanischen Zusammenhänge des Rissverhaltens von Stahlbetonbauteilen, die parallel zur Beanspruchungs- bzw. Zugkraftrichtung bewehrt sind, werden in der Literatur durch zahlreiche Untersuchungen und Modelle beschrieben. Dagegen sind zum Rissverhalten und zur Rissbreitenbeschränkung von schiefwinklig bewehrten Bauteilen nur wenige Forschungsarbeiten bekannt, obwohl diese Beanspruchungsart in einer Vielzahl von Stahlbetonbauwerken, wie z. B. mehrachsig beanspruchten Platten oder Scheiben sowie Faltwerken und Schalen, auftritt.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens DFG EM 203/3-1 wurde u. A. ein Prüfstand für zweiaxial zugbeanspruchte Scheiben entwickelt. Mit den experimentellen Untersuchungen konnte ein im Rahmen eines vorausgegangenen Forschungsvorhabens (DIBt ZP 7.292) entwickelter Rissbreitenansatz für Flächentragwerke mit beliebig orientierter Bewehrung verifiziert werden.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann & Jonas Cramer, M.Sc.
Kurzbericht zu diesem Projekt: (PDF-Datei)
Veröffentlichungen:
Die Betonfertigteilbauweise ist eine äußerst wirtschaftliche Ausführungsvariante für den industriellen Hallen- und Verwaltungsbau. Sie zeichnet sich durch eine hohe Produktivität und Qualität sowie kurze Bauzeiten aus. Außerdem bietet sie ideale Möglichkeiten, innovative Materialien und Bauweisen anzuwenden. In diesem Rahmen war die Entwicklung von Spannbeton-Fertigteilbindern für den Hallen- und Verwaltungsbau, die durch einen großen Aussparungsanteil für technische Installationen (Rohre, Leitungen) eine hohe Flexibilität und Funktionalität in der Nutzung haben, das Ziel der angestrebten Forschungsarbeit. Die Binder sollten hinsichtlich ihres Materialbedarfs und Arbeitsaufwandes optimiert werden und das Potential besitzen, im direkten Wettbewerb zu Lochstegträgern in Stahl- oder Stahlverbundbauweise zu stehen.
Als Grundlage dienten die bisherigen Arbeiten am iBMB der TU Braunschweig in Bezug auf die experimentelle und numerische Untersuchung von Spannbeton-Fertigteilbindern aus Stahlfaserbeton, die sich durch ein gutes Verhalten im Gebrauchs- und Bruchzustand auszeichnen und in entsprechenden Zulassungen bauaufsichtlich geregelt sind. Bei diesen Trägern ist unter gewissen Randbedingungen die Anordnung von runden Aussparungen möglich.
Der innovative Beitrag des Forschungsvorhabens zielte auf die Verwendung alternativer Bewehrungselemente, die einerseits die Aussparungskonfigurationen der Spannbeton-Fertigteilbindern aus Stahlfaserbeton deutlich erweitern und andererseits die dann erforderliche aufwändige konventionelle Betonstahlbewehrung ersetzen, um so flexible Querschnitts- und Aussparungsformen (große Anzahl von Öffnungen, Aussparungsgruppen) für Trägersysteme in Betonbauweise zu entwickeln. Die Wahl fiel auf perforierte Bleche (Lochbleche), die als „ein Stück“ in die Aussparungsbereiche der dann gemischt- bzw. hybridbewehrten Spannbeton-Fertigteilträger („Hybridträger“) eingesetzt werden können.
Projektträger: AiF-Forschungsvereinigung im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Kurzbericht zu diesem Projekt: (PDF-Datei)
Veröffentlichungen:
Mit dem Einsatz von ultrahochfestem Beton und hochfester Längsbewehrung kann die Tragfähigkeit von Stahlbetonstützen deutlich erhöht werden. Um dieses Potential erschließen zu können, muss das Tragverhalten infolge Normalkraft und Biegung bekannt sein. Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogramms SPP 1182 wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Trag- und Nachbruchverhalten von Stützen aus ultrahochfestem Faserbeton (UHPFRC) mit hochfester Längsbewehrung unter zentrischem und einachsig exzentrischem Längsdruck durchgeführt. Auf Basis dieser Untersuchungen konnte ein Vorschlag zur Bemessung von gedrungenen UHPFRC-Stützen in Anlehnung an den DIN EN 1992-1-1 formuliert werden. Zugleich wurden Empfehlungen zur konstruktiven Durchbildung erarbeitet, die ein progressives Versagen verhindern.
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderdauer/Laufzeit: 2005 - 2009
Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Veröffentlichungen:
