Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau | Institut für Tragkonstruktionen

Technische Universität Wien

Dünnwandige Bauteile aus carbonbewehrtem Ultrahochleistungsbeton

Im Zuge eines Forschungsprojekts am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien wird derzeit der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen im Betonbau erforscht. Im Vergleich zum konventionellen Stahlbetonbau können bei Auswahl von geeigneten Geometrien die Abmessungen der Bauteile wegen den guten mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe bedeutend reduziert werden. Dadurch können größere Spannweiten bei vorgegebenen Bauteilhöhen realisiert sowie der Transport- und Montageaufwand reduziert werden. Im Speziellen werden in diesem Forschungsprojekt Ultrahochleistungsbeton (engl. Ultra-high performance concrete – UHPC) und Carbonbewehrung in Form von Textilien und Stäben kombiniert.

Hochleistungsmaterialien im Betonbau

Carbonbewehrung zeichnet sich durch seine hohe Zugfestigkeit, sein geringes Gewicht und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Diese Bewehrung ist schon seit längerer Zeit in Form von Stäben und Litzen am Markt erhältlich, hat aber in den letzten Jahren durch intensive Forschung deutscher Universitäten an textilen Carbonbewehrungen neuen Aufschwung erhalten. Diese Textilien heben sich in weiterer Folge durch ihre Formgebungsmöglichkeiten und ihre höhere Steifigkeit von konventionellen Carbonstäben ab.

UHPC ist ein Beton mit einem sehr dichten Mikrogefüge. Daraus resultieren die den Ultrahochleistungsbeton prägenden Eigenschaften, wobei unter anderem die hohe Festigkeit (>150 MPa), aber auch die stark erhöhte Dauerhaftigkeit zu nennen ist. UHPC weist zudem eine erhöhte Beständigkeit gegenüber chemischen sowie auch mechanischen Angriffen auf.

Materialeffizientes Konstruieren

Bei der Verwendung von Hochleistungsmaterialien im Betonbau, die aufwendiger und somit auch energieintensiver und teurer in der Herstellung sind, ist ein materialeffizienter Einsatz besonders wichtig. Bei den in Abb. 1 dargestellten Trägerkonfigurationen wurden die Materialien dort eingesetzt, wo sie benötigt werden.

Abbildung 1: Verschiedene Ausführungsformen eines carbonbewehrten Trägers aus UHPC

Die dabei entstehenden Bauteile ähneln Bauteilen aus dem Stahlbau. Unter Annahme eines positiven Moments wird in der Druckzone der UHPC in Form eines Druckflansches gebündelt. Die Zugkräfte werden über Carbonstäbe im Zuggurt aufgenommen. Als Querkraftbewehrung fungiert ein Carbongitter, welches im Steg angeordnet wird. Aufgrund der hervorragenden Dauerhaftigkeitseigenschaften von UHPC und der Korrosionsbeständigkeit der Carbonbewehrung, kann die Betondeckung auf ein Minimum reduziert werden (in diesem Fall 10 mm). Im Vergleich zu üblichen Stahlbetonquerschnitten ergibt sich somit eine erhebliche Materialeinsparung. Diese Materialeinsparung ist für kurze und mittlere Spannweitenbereiche besonders ausgeprägt, da im konventionellen Stahlbetonbau für diese Spannweitenbereiche der Anteil der Betondeckung am Gesamtvolumen groß und die Formgebungsmöglichkeiten klein sind.

Experimentelle Untersuchungen zur Beurteilung des Tragverhaltens

Im Zuge des Forschungsprojektes wurden zahlreiche experimentelle Untersuchungen zum Materialverhalten und zum Strukturverhalten durchgeführt, die schlussendlich in eine Versuchsserie an Versuchskörpern im Maßstab 1:1, mit einer Länge von 5,0 m mündeten (siehe Abbildung 2.)

Abbildung 2: Experimentelle Untersuchungen zum Bauteilverhalten

Als wichtige Erkenntnis stellte sich dabei heraus, dass, obwohl das Materialverhalten der einzelnen Komponenten spröde ist, das Bauteilverhalten davon abweicht und eine gute Versagensankündigung aufweist. Diese ist im Grenzzustand der Tragfähigkeit z.B. durch große Durchbiegungen, große Rissbreiten und merkliche akustische Signale gegeben. 

Danksagung

Die Autoren möchten der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG für die finanzielle Unterstützung danken. Ein weiterer Dank gilt den Partnern des Forschungsprojektes, dem Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart und den Unternehmen SW-Umwelttechnik GmbH und solidian GmbH für die Unterstützung und konstruktive Zusammenarbeit im Zuge dieses Projektes

www.betonbau.tuwien.ac.at