masten und rohrprofile aus schleuderbeton - dafstb.de · 4. jahrestagung des dafstb –braunschweig...
TRANSCRIPT
4. Jahrestagung des DAfStb – Braunschweig – 16. und 17. November 2016
Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton
Jörn Remitz, Marcel Wichert
Technische Universität Braunschweig, iBMB, Fachgebiet Massivbau
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 2
Schleuderbeton
Herstellung von Schleuderbeton
• Zweiteilige Stahlschalung mit Laufringen
• Einlegen des vorgefertigten Bewehrungskorbes
• Einbringen des Betons und Schließen der Schalung
• Rotation der Schalung auf einer Schleuderbank
Wesentliche Vorteile von Schleuderbeton
• Sehr dichte Gefügestruktur
• Glatte Betonoberfläche
• Hohe Druckfestigkeit
• Hohe Dauerhaftigkeit
Schleuderbeton in Kombination mit UHPC:
UHPSC = Ultra High Performance Spun Concrete
• Weitere Verringerung der Porosität
• Steigerung der Festigkeit
• Verbesserung der Dauerhaftigkeit
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 3
Einsatzgebiete und Anwendungen
Werbemast Dodenhof,
Kaltenkirchen
Anwendungsbeispiele sind u. a.:
• Hochbaustützen
• Werbemasten
• Freileitungsmasten
• Masten von Windenergieanlagen
Waldwipfelweg, Bayrischer Wald Freileitungsmast, Bad Kötzting
(Bilder Europoles)
Lufthansa Aviation Center, Frankfurt
• Beleuchtungsmasten und Masten für die
Verkehrsbeschilderung
• Gründungs- und Fachwerkstrukturen
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 4
Forschungsvorhaben
Verbundforschungsvorhaben:
„Kompakthöchstspannungsmasten und -traversen (KoHöMaT)“
Untersuchungen zu den Eigenschaften des UHPSC
Untersuchungen zum Tragverhalten von Schleuderbetonmasten
• aus UHPSC und hochfester Bewehrung
• unter kombinierter Biege- und Querkraftbeanspruchung
• unter kombinierter Biege-, Querkraft- und Torsionsbeanspruchung
Untersuchungen zu Verbindungs- und Fügetechniken von Schleuderbetonmasten
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 5
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
0 20 40 60 80 100
Sp
an
nu
ng
σs
[N/m
m²]
Dehnung εs [‰]
St1660/1860 - Ø0,5"
SAS670 - Ø28
B500B - Ø32
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-3,5-3,0-2,5-2,0-1,5-1,0-0,50,0
Sp
an
nu
ng
σc
[N/m
m²]
Stauchung εc [‰]
Probe 1
Probe 2
Probe 3
Materialuntersuchungen
Eigenschaften des UHPSC
• Druckfestigkeit: 𝑓cm ≈ 140 ÷ 150 N/mm²
• Bruchdehnung: 𝜀cu ≈ 3,0‰
• Elastizitätsmodul: 𝐸cm ≈ 58.500 N/mm²
Eigenschaften der Bewehrung
• Spannstahllitzen St1660/1860 (0,62“ und 0,5“)
• Betonstahl B500B und SAS670
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 6
Konfiguration Biegeversuche
Material und Vorspannung VK-B0 VK-B1 VK-B1-K VK-B2-K
Beton C80 C140 C140 C140
Spannstahllitzen 36 0,5”
(33,5 cm²)
64 0,5”
(59,5 cm²)
40 0,62”
(60,0 cm²)
22 0,62”
(33,0 cm²)
Betonstahl (Längsbewehrung)
Streckgrenze As · fyk [MN]
B500
26 32
10,5
B500
26 32
10,5
SAS670
25 28
10,3
SAS670
27 22
6,9
Vorspannung 1.360 N/mm²
Ausnutzung des Betons σc,p0/fck 0,19 0,19 0,19 0,14
Versuchskörper unter kombinierter Biege- und Querkraftbeanspruchung
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 7
Durchführung Biegeversuche
Versuchsaufbau
• Horizontaler Versuchsaufbau auf dem
Firmengelände von EUROPOLES
• Krafteinleitung ins Fundament über
Stahlfußplatten und Anschlussbewehrung
• Belastung mit hydraulische Presse am
Mastzopf
• Rollenlager im oberen Drittelpunkt zur
vertikalen Unterstützung
Versuchsdurchführung
• 10 Be- und Entlastungszyklen auf
Gebrauchslastniveau
• Stufenweise Belastung bis zur Traglast
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 8
Versagen Biegeversuche
VK-B0
C80; B500; 0,5“-Litze
VK-B1
C140; B500; 0,5“-Litze
VK-B1-K
C140; S670; 0,62“-Litze
VK-B2-K
C140; S670; 0,62“-Litze
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 9
0
100
200
300
400
500
600
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00
Last
[kN
]
Kopfauslenkung [m]
VK-B0 - EXPVK-B0 - FEMVK-B1 - EXPVK-B1 - FEMVK-B1-K - EXPVK-B1-K - FEMVK-B2-K - EXPVK-B2-K - FEM
extrapoliert
0
100
200
300
400
500
600
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00
Last
[kN
]
Kopfauslenkung [m]
VK-B0
VK-B1
VK-B1-K
VK-B2-K
extrapoliert
Auswertung Biegeversuche
Be- und Entlastungszyklen
• Nach Entlastung wurden die Risse geschlossen
und der Versuchsträger kehrte in seine
Ausgangsposition zurück
Belastung bis zur Traglast
• Plötzliches Betondruckversagen nach Erreichen
der Fließgrenze der Betonstahllängsbewehrung
• „Schollenartige“ Betonabplatzungen bei VK-B2-K
• Traglaststeigerung von ca. 30 % bei
Verwendung von ultrahochfestem Beton
• Keine signifikante Veränderung im Trag- und
Verformungsverhalten zwischen den unter-
schiedlichen Bewehrungskonzepten
Bei Verwendung von SAS670 geringere
Menge an Bewehrung erforderlich
Verwendung von 0,62“-Litzen möglich
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 10
Konfiguration Torsionsversuche
Versuchskörper unter kombinierter Biege-, Querkraft- und Torsionsbeanspruchung
Material und Vorspannung VK-T0 VK-T1 VK-T1-K VK-T2-K
Beton C80 C140 C140 C140
Spannstahllitzen 12 0,5”
(11,2 cm²)
24 0,5”
(22,3 cm²)
14 0,62”
(21,0 cm²)
14 0,62”
(15,8 cm²)
Betonstahl (Längsbewehrung)
Streckgrenze As · fyk [MN]
B500
30 20
4,7
B500
24 20
3,9
SAS670
22 18
3,8
SAS670
28 18
4,7
Vorspannung 1.360 N/mm²
Ausnutzung des Betons σc,p0/fck 0,12 0,14 0,14 0,12
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 11
Durchführung Torsionsversuche
Versuchsaufbau
• Horizontaler Versuchsaufbau auf dem
Firmengelände von EUROPOLES
• Krafteinleitung ins Fundament
über Stahlfußplatten und Anschluss-
bewehrung
• Exzentrische Belastung am Mastzopf
über eine Traverse
• Rollenlager auf Höhe der Lasteinleitung
zur vertikalen Unterstützung
Versuchsdurchführung
• 10 Be- und Entlastungszyklen auf
Gebrauchslastniveau
• Stufenweise Belastung bis zur Traglast
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 12
VK-T2-K
C140; S670; 0,62“-Litze
Versagen Torsionsversuche
VK-T0
C80; B500; 0,5“-Litze
VK-T1
C140; B500; 0,5“-Litze
VK-T1-K
C140; S670; 0,62“-Litze
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 13
0
50
100
150
200
250
300
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Last
[kN
]
Kopfauslenkung [m]
VK-T0 - EXPVK-T1 - EXPVK-T1 - FEMVK-T1-K - EXPVK-T1-K - FEMVK-T2-K - EXPVK-T2-K - FEM
extrapoliert
mit Öffnung
0
50
100
150
200
250
300
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Last
[kN
]
Kopfauslenkung [m]
VK-T0
VK-T1
VK-T1-K
VK-T2-K
extrapoliert
mit Öffnung
Auswertung Torsionsversuche
Belastung bis zur Traglast
• Plötzliches Betondruckversagen nach Erreichen
der Fließgrenze der Betonstahlquerbewehrung
• „Schollenartige“ Betonabplatzung bei VK-T2-K
• Gleichwertiges Tragverhalten der verschiedenen
Bewehrungskonzepte kann bestätigt werden
• Nachrechnung mittels FEM ergibt eine gute
Übereinstimmung
• Abweichung zwischen experimenteller und
rechnerischer Traglast bei VK-T2-K kann auf die
schollenartigen Betonabplatzungen infolge des
hohen Bewehrungsgrades im Bereich der
Stahlfußplatte zurückgeführt werden
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 14
Zapfenverbindung
Verbindungselement zwischen UHPSC-Mast und
Gründung sowie zwei Mastsegmenten
Einfaches und schnelles Errichten am Aufstellort
Verbindungszapfen
• Ortbeton mit Vollquerschnitt
• UHPSC mit Kreisringquerschnitt
Vermörtelte Fuge zur kraftschlüssigen Verbindung
und zum Ausgleich von Bautoleranzen
Profilierung auf der Außenseite des Zapfens Waldwipfelweg, Bayrischer Wald (Europoles)
Stütze Moschee Algier (Europoles)
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 15
Grenzfall 2: Lastabtrag über eine schubfeste
Verbundfuge
Wenn Tragfähigkeit des Mörtels
ausreicht
Verbindung verhält sich wie ein
monolithisches Bauteil
Bestimmung der Fugentragfähigkeit
mit Push-Through-Versuchen
Tragverhalten der Zapfenverbindung
Grenzfall 1: Lastabtrag über ein horizontales
Kräftepaar
Wenn Tragfähigkeit des Mörtels erreicht
oder Steifigkeit des Zapfen zu gering ist
Führt zu hoher Querkraftbeanspruchung
im Mast
Bestimmung der Fugentragfähigkeit
mit Schub-Druck-Versuchen
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 16
Durchführung Schub-Druck-Versuche
Materialien analog zu Großversuchen
• Mast-Teil: Ultrahochfester Beton
• Zapfen-Teil: Normalfester Beton
• Fuge: Hochfester Vergussmörtel, Profilierung mit Noppenfolie
Getrennte Herstellung der Versuchskörperhälften (Zapfen- u. Mast-Teil)
Nachträgliche Herstellung der Mörtelfuge
Variation der Fugenneigung α (0°, 10°, 20°, 30°, 47,5°, 50° und 55°)
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 17
0
400
800
1200
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Kra
ft [
kN
]
Weg [mm]
SD-1.00 VSD-1.10 VSD-1.10 FSD-1.20 VSD-1.20 FSD-1.30 FSD-1.30 V
α ≥ 47,5° Schubbruch: Versagen an glatter Fugengrenzfläche
α ≤ 30° Druckbruch: Versagen im Zapfen-Teil; unbeeinflusst von Fuge
Ergebnisse Schub-Druck-Versuche
0
400
800
1200
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Kra
ft [
kN
]
Weg [mm]
SD-1.47,5 FSD-1.47,5 VSD-1.50 FSD-1.50 VSD-1.55 FSD-1.55 V
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 18
Durchführung Push-Through-Versuche
Materialien analog zu Großversuchen
• Mast-Teil: Ultrahochfester Schleuderbeton
• Zapfen-Teil: Normalfester Beton
• Fuge: Hochfester Vergussmörtel,
Profilierung mit Noppenfolie
Nachträgliche Herstellung der Mörtelfuge
Variation der Einbindetiefe LE (200, 300, 400 mm)
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 19
Ergebnisse Push-Through-Versuche
Traglasten steigen mit zunehmender Einbindetiefe
Last fällt schlagartig bei Erstriss im Mast-Teil
Aufnehmbare Last nach Erstriss beträgt ca. 42 %
der Traglast
Max. Schubspannungen in den Versuchen
vergleichbar (τmax ≈ 6,3 N/mm²)
Schubspannungsverlauf nach Erstriss nahezu
konstant
Versagen an profilierter Grenzfläche
0
500
1000
1500
2000
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00
Kra
ft [
kN
]
Weg [mm]
F.1-1F.1-2F.1-3
0,0
2,0
4,0
6,0
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00
Sc
hu
bs
pa
nn
un
ge
n [
N/m
m²]
Weg [mm]
F.1-1F.1-2F.1-3
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 20
Konfiguration Zapfenversuche
Mast
VK-B3-K
Zapfen
VK-Z3-K
Mast
VK-B4-K
Zapfen
VK-Z4-K
Abmessungen:
Bauteillänge 26,1 m 2,8 m 26,1 m 2,8 m
Außendurchmesser Fuß 1,780 m 1,452 m 1,780 m 1,440 m
Außendurchmesser Zopf 1,260 m 1,402 m 1,260 m 1,440 m
Wandstärke Fuß/Zopf 130 mm/100 mm 200 mm/200 mm 130 mm/100 mm -
Material:
Beton C140 C50
Spannstahllitzen 60 0,62“
(90,0 cm²)-
Betonstahl (Längsbewehrung
Zapfenbereich)
SAS670
12 35
B500
90 28
SAS670
12 35
B500
127 32
Betonstahl (Querbewehrung
Zapfenbereich)
B500
12/5; 2x4 20/7 12/7 12/5; 20/4 25/7
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 21
Durchführung Zapfenversuche
Versuchsaufbau analog zu Biegeversuchen
• Krafteinleitung ins Fundament über Zapfen, der mit Stahlfußplatten mit dem
Versuchsstand verbunden ist
• Mast und Zapfen werden vor Prüfung gefügt und vermörtelt
Versuchsdurchführung
• Belastung 1: 10 Be- und Entlastungszyklen auf Gebrauchslastniveau
• Belastung 2: Stufenweise Belastung bis ca. 450 kN
• Belastung 3: Stufenweise Belastung bis zur Traglast
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 22
Versagen Zapfenversuche
VK-B3/Z3-K
Duktiles Versagen des Masts
Ankündigung des Versagens durch
Aufreißen des Mastquerschnitts im
Verbindungsbereich
VK-B4/Z4-K
Schlagartiges Versagen des Masts in der
Druckzone oberhalb der Verbindung
Versagen ohne Vorankündigung
Gleichmäßig verteilte Biegezugrisse
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 23
Auswertung Zapfenversuche
VK-B3/Z3-K
Lastabtrag entsprechend Grenzfall 1
Querbewehrung im Mast erreicht
Streckgrenze durch hohe Beanspruchung
Deutlichen Zunahme der Kopfauslenkung
ohne Laststeigerung
Druckzone nicht ausgenutzt
VK-B4/Z4-K
Lastabtrag entsprechend Grenzfall 2
Biegedruckzone versagt bei Erreichen
der Traglast
Keine weitere Verformung möglich
Querbewehrung im Mast nicht vollständig
ausgenutzt
0
200
400
600
800
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50
Kra
ft [
kN
]
Kopfauslenkung [mm]
Belastung 1Belastung 2Belastung 3
0
200
400
600
800
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50
Kra
ft [
kN
]
Kopfauslenkung [m]
Belastung 1Belastung 2Belastung 3
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 24
Traglaststeigerung durch den Einsatz von ultrahochfestem Schleuderbeton (UHPSC)
Reduzierung der Betonstahlmenge durch den Einsatz von SAS670 möglich
Schlagartiges Betondruckversagen nach Erreichen der Fließgrenze der
Betonstahlbewehrung (starke Rissbildung und große Verformungen)
Lastabtrag innerhalb einer Zapfenverbindung ist stark abhängig von
• Tragfähigkeit der Verbundfuge
• Querbewehrungsgrad des Masts
• Steifigkeit des Zapfens
Monolithisches Verhalten der Zapfenverbindung im Falle einer schubfesten
Verbundfuge
Andernfalls hohe Querkraftbeanspruchung des Masts im Verbindungsbereich
äußerst duktiles Versagen möglich
Zusammenfassung
16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 25
Ende
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Vielen Dank für die Unterstützung und Zusammenarbeit:
Jörn Remitz, M.Sc.
mail: [email protected]
Marcel Wichert, M.Sc.
mail: [email protected]
Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
mail: [email protected]