Kollegiaten

Marion Rauch

Thema: Tragwerke aus ultrahochfestem Beton

Bauingenieurwesen | Prof. Viktor Sigrist

Mit dem Ziel die Betonfestigkeiten zu erhöhen sowie die Dauerhaftigkeitseigenschaften des Baustoffes Beton zu verbessern, wurde die Forschung im Bereich der Hochleistungsbetone in den letzten Jahrzehnten stetig vorangetrieben. Eine der neusten Entwicklungen ist der ultrahochfeste Beton und der ultrahochfeste Faserbeton (UHFB). Die Materialeigenschaften dieser neuen Baustoffe wurden bereits weitgehend untersucht, jedoch besteht in Bezug auf die Anwendung in der Baupraxis noch erheblicher Forschungsbedarf. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen für die Bemessung erarbeitet, wobei insbesondere das Zusammenwirken von UHFB und Bewehrungsstahl untersucht wird. Zur Beschreibung des Verhaltens von bewehrten UHFB-Zuggliedern wird in Anlehnung an das Zuggurtmodell ein analytisches Modell entwickelt, das durch Versuche abgesichert ist. Das Ziel ist es, das Verformungs- und Bruchverhalten von UHFB-Zuggliedern in Kombination mit verschiedenen Bewehrungsstahltypen rechnerisch abbilden sowie Bemessungsempfehlungen für Tragwerke beziehungsweise Tragwerksbereiche unter Zugbeanspruchung geben zu können.

Ultrahochfester Beton weist eine hohe Gefügedichte auf, und übliche Druckfestigkeiten liegen etwa bei 150 bis 250 MPa. Um ein Sprödbruchversagen zu verhindern, werden dem Beton Fasern beigemischt, die sowohl im Druck- als auch im Zugbeanspruchungsbereich eine Festigkeitssteigerung bewirken. Abhängig von Fasertyp und Fasergehalt kann bei Zugbeanspruchung zudem ein verfestigendes Verhalten beobachtet werden, das für Beton untypisch ist. Um ein duktiles Verformungs- und Bruchverhalten zu gewährleisten, werden UHFB-Bauteile zusätzlich mit Stahl bewehrt. Ein weiteres Merkmal von ultrahochfestem Beton ist sein hoher Widerstand gegen physikalischen und chemischen Angriff. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften eröffnet UHFB dem Stahlbetonbau neue Anwendungsgebiete und ermöglicht den Bau ausgesprochen schlanker und in der Formgebung anspruchsvoller Konstruktionen.

Wie die Geschichte das Stahlbetons zeigt, ist ein umfassendes Verständnis des Materials sowie des Verformungs- und Bruchverhaltens notwendig, um neue Gestaltungsmöglichkeiten nutzen zu können. Beim Betrachten der historischen Entwicklung der Beton- beziehungsweise Stahlbetonbauweise ist festzustellen, dass neben dem technischen Fortschritt auch Aspekte wie beispielweise der materialgerechte Umgang mit dem Baustoff die Bauweise nachhaltig beeinflusst haben. Aus diesem Grund wird im ersten Teil der Arbeit die Entwicklungsgeschichte des Stahlbetonbaus nachgezeichnet; damit soll eine Grundlage für neue Anwendungen und Bauformen geschaffen sowie das Bewusstsein für Fragen der Gestaltung innerhalb des Bauwesens gestärkt werden. Für diesen Teil der Arbeit war die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Graduiertenkollegs "Kunst und Technik - Material und Form in künstlerischen und technischen Gestaltungsprozessen" besonders wertvoll.

Das Verformungsverhalten von bewehrten UHFB-Zuggliedern wird maßgeblich durch die verwendete Betonmischung und den Verbund zwischen Beton und Bewehrungsstahl beeinflusst. Im Grundlagenteil wird deshalb das Materialverhalten von ultrahochfestem Faserbeton erläutert. Aufbauend darauf wird eine für UHFB spezifische Verbundschubspannungs-Schlupf-Beziehung vorgeschlagen. Die relevanten Kennwerte werden anhand der am Institut für Massivbau der TU Hamburg-Harburg durchgeführten Baustoff- und Ausziehversuche bestimmt. Schließlich werden ein analytisches Modell und ein entsprechend konfiguriertes Rechenprogramm entwickelt. Im Gegensatz zu konventionellem Stahlbeton können Zugglieder aus ultrahochfestem Faserbeton aufgrund der Fasern Zugkräfte über Risse hinweg übertragen. Die zugversteifende Wirkung des Betons zwischen den Rissen wird daher beachtlich erhöht. Je nach Fasertyp und Fasergehalt kann auch die Traglast gesteigert werden. Zur Berücksichtigung dieser positiven Einflüsse wird in der Arbeit das Zusammenwirken von ultrahochfestem Beton mit verschiedenen Bewehrungsstahltypen betrachtet und mithilfe des Rechenmodells systematisch untersucht. Die Überprüfung des Modells erfolgt anhand von am Institut für Massivbau der TU Hamburg-Harburg durchgeführten Zugversuchen.

Das Ziel der Arbeit ist es, nicht nur das Verformungsverhalten von bewehrten UHFB-Zuggliedern zu beschreiben, sondern auch Bemessungsempfehlungen für Tragwerke unter Zugbeanspruchung geben zu können. Die Untersuchungen an ultrahochfesten Zuggliedern zeigen, dass zwischen ultrahochfestem Faserbeton und Bewehrungsstahl in allen Phasen sehr gute Verbundbedingungen herrschen und dass, anders als bei Stahlbeton, das Verformungsverhalten maßgeblich durch den tension stiffening Effekt beeinflusst wird. Die Verwendung von hochfesten, gerippten Bewehrungsstählen in Verbindung mit UHFB erweist sich dabei als zweckmäßig, da so die positiven Eigenschaften von UHFB bei üblichen Bewehrungsgehalten ausgenutzt werden können. Auf diese Weise können konstruktive Probleme im Bereich von Knotenpunkten oder Anschlüssen, insbesondere bei filigranen Konstruktionen, vermieden werden. Die Arbeit soll insgesamt eine Basis für neue Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten im Stahlbetonbau sowie materialgerechtes Bauen bilden.

Forschungsschwerpunkte

Hochleistungsbeton, Ultrahochfester Faserbeton (UHPFRC), Verformungsvermögen

Lebenslauf

2005-2008	Promotionsstipendiatin am Graduiertenkolleg „Kunst und Technik“ an der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Institut für Massivbau
02/2001-05/2005	Tragwerksplaner im Ingenieurbüro Werner Sobek Ingenieure, Stuttgart letztes Projekt: Neues Mercedes-Benz Museum, Stuttgart
05/1998	Master of Science in Civil Engineering
08/1997-05/1998	Studium an der University of Wisconsin at Madison, USA Fachrichtung Bauingenieurwesen, Vertiefung Konstruktiver Ingenieurbau mit Auslandsstipendium der Fulbright Kommission
09/2000	Diplom
10/1994-09/2000	Studium an der Universität Karlsruhe (TH) Fachrichtung Bauingenieurwesen, Vertiefung Konstruktiver Ingenieurbau
06/1994	Abitur am Markgraf-Ludwig-Gymnasium in Baden-Baden
1975	geboren in Baden-Baden

Publikationen

09/2008	„Reinforced UHPFRC Tension Chords“, IABSE Congress, Chicago, USA, Proceedings, S. 352-353. Autoren: Marion Rauch, Viktor Sigrist.
05/2008	„Deformation Behaviour of Reinforced UHPFRC Elements in Tension“, Interntional fib Symposium, Amsterdam, Niederlande, Proceedings, S. 106. Autoren: Marion Rauch, Viktor Sigrist.
09/2007	„Cracking and Deformation Behaviour of Reinforced UHPC Elements“,The 3rd Central European Congress on Concrete Engineering, Visegrád, Ungarn, Proceedings, S. 295-300. Autoren: Marion Rauch, Viktor Sigrist.
07/2007	„Versuche zum Tragverhalten von ultrahochfestem Beton“,Versuchsbericht, 66 Seiten, Autoren: Marion Rauch, Viktor Sigrist.

Vorträge

09/2008	“Reinforced UHPFRC Tension Chords”,IABSE Congress, Chicago, USA.
05/2008	“Deformation Behaviour of Reinforced UHPFRC Elements in Tension”,International fib Symposium, Amsterdam, Niederlande.
09/2007	“Cracking and Deformation Behaviour of Reinforced UHPC Elements”,The 3rd Central European Congress on Concrete Engineering, Visegrád, Ungarn,September 17-18, 2007.