Dewald, Karl Stefan:

Flüssigkeitsbehälter aus Hochleistungsbeton : ein Ansatz zur stoffgerechten Bemessung von offenen Becken

Duisburg, Essen (2006), getr. Zählung
Dissertation / Fach: Bauwissenschaften
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Breitenbücher, Rolf (Doktorvater, Betreuerin)
Buschmeyer, Wilhelm; Schnellenbach-Held, Martina (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
Für den erfolgreichen Einsatz von HPC in Behälterbauwerken und der damit verbundenen Qualitätssteigerung und verbesserten Gesamtwirtschaftlichkeit müssen dessen anerkannte stofflichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Betonen nutzbar gemacht werden. Dazu müssen bauteilspezifische Risiken erkannt, quantifiziert und möglichst reduziert werden. Bei den in der vorliegenden Arbeit betrachteten offenen Becken der Abwasserwirtschaft entwickelt sich konstruktions- und bauablaufsbedingt Zwangspannungen in den Bauteilen. Vor allem den durch lastunabhängige Einwirkungen im Herstellungs- und Betriebszustand entstehenden hohen Längszugspannungen in den Beckenwänden muss durch eine zielsicher ausgelegte rissbreitenbegrenzende Bewehrung begegnet werden, um die wesentliche Anforderung an die Gebrauchstauglichkeit von Flüssigkeitsbehältern - die Dichtheit - nicht zu gefährden. Durch die höhere zu erwartende Hydratationswärmeentwicklung und das ausgeprägte Schwindverhalten bei gleichzeitig geringem Kriech- und Relaxationsvermögen ist die Ausnutzung der stark verbesserten Dauerhaftigkeits- und Dichtheitseigenschaften von HPC mit hohen Zwangspannungen, erhöhter Reißneigung und daraus resultierend mit einem deutlich höheren Bewehrungsaufwand verbunden, da bisher keine zielsicheren Werkzeuge für eine optimierte Auslegung dieser Bewehrung gegeben waren. Die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit liegen zum einen in der Darstellung der stofflichen Vorteile von HPC unter den anwendungsbezogenen Randbedingungen bei der Herstellung offener Becken und zum anderen in der bauteilbezogenen Untersuchung von Optimierungsansätzen bei der Ausschöpfung des Potentials von HPC für den Behälterbau. Durch die Untersuchungsergebnisse werden die Optimierungspotentiale qualitativ aufgezeigt, und es ergeben sich auf zukünftige Bauwerke übertragbare Anwendungsempfehlungen. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zunächst Betonzusammensetzungen für HPCs entwickelt, die sich durch eine verhältnismäßig niedrige zu erwartende Hydratationswärmeentwicklung auszeichnen. Der Einsatz von Hochofenzementen und innerten Zusatzstoffen ermöglicht dabei die gezielte Herstellung von Betonen mit moderaten Wärmetönungen, ohne die charakteristischen Eigenschaften von Hochleistungsbeton (ausgeprägt dichtes Gefüge, hohe Festigkeiten) dabei zu verlieren. Durch die gezielte Wahl von geeigneten Zementen konnten im Rahmen der Mischungsfindung drei Hochleistungsbetone entwickelt und charakterisiert werden, die hinsichtlich ihrer thermischen und mechanischen Eigenschaften den zuvor definierten Anforderungen an einen Behälterhochleistungsbeton entsprachen. Versuche in der Temperaturspannungsprüfmaschine zeigten im Vergleich mit herkömmlichen Behälterbetonen qualitativ die Unterschiede der gewählten Betonzusammensetzungen hinsichtlich ihres viskoelastischen Materialverhaltens auf. Anhand experimenteller Untersuchungen konnte zielsicher der Behälterhochleistungsbeton bestimmt werden, der für die Verwendung in den nachträglich betonierten Wänden das günstigste Materialverhalten im jungen Alter aufwies. Hydratationswärmeentwicklung, Schwinden, Kriechen, Relaxation und die Entwicklung der mechanischen Eigenschaften entsprachen in der Summe ihrer Auswirkungen auf das Verhalten des jungen Betons den gestellten Anforderungen. Wirklichkeitsnahe rechnergestützte Berechnungen stellen grundsätzlich ein leistungsfähiges Werkzeug dar, um den Ansprüchen an ein leistungsfähiges und gleichzeitig optimiertes Bauwerk gerecht zu werden. Die wirklichkeitsnahe Erfassung der Einwirkungen und des Materialverhaltens gerade im jungen Alter sind hierbei von wesentlicher Bedeutung und wurden in den Vorbetrachtungen zu den Berechnungen durchgeführt. Dazu wurden bestehende analytische Ansätze zur Abbildung des Materialverhaltens herangezogen und anhand der Versuchsergebnisse verifiziert bzw. durch Parameteranpassungen auf das spezielle Verhalten der charakterisierten Hochleistungsbetone angenähert. Durch die Abbildung des Systems mit realistischen, analytisch ermittelten Steifigkeitsverhältnissen von Konstruktion und Boden werden die aufwändigen Ansätze von Materialverhalten und Einwirkungen zu einer schlüssigen Abbildung der Gesamtsituation ergänzt. Im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Berechnungen an Behälterausschnitten ließen bei Variation der maßgebenden Randbedingungen die Einflüsse auf den bemessungsrelevanten Spannungszustand in der Beckenwand erkennen. Der für die Auslegung der Wandlängsbewehrung maßgebende Spannungszustand wird durch die lastunabhängigen Einwirkungen im Herstellungszustand erreicht. Durch die Berechnungen ließ sich die Beckenwand in drei Rissrisikobereiche aufteilen, in denen die erreichten Spannungen entweder als rissauslösend, wahrscheinlich nicht rissauslösend oder als ständige Druckspannung zu klassifizieren waren. Die Bereiche konnten durch die wirklichkeitsnahen Berechnungen deutlich voneinander abgegrenzt werden, wodurch eine angepasste, abschnittsweise Auslegung der Wandlängsbewehrung entsprechend des tatsächlichen Spannungsverlaufs über die Wandhöhe möglich war. In einer beispielhaften Betrachtung eines Beckenausschnittes ergaben sich bei Ausnutzung der in DIN 1045-1 [120] angegebenen Berechnungsmöglichkeiten für bekannte Zwangschnittgrößen und Materialkenngrößen sowie durch die Anwendung des im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten, nach den Rissrisikobereichen differenzierenden Bemessungskonzepts, deutlich niedrigere Bewehrungsmengen für die rissebegrenzende Wandlängsbewehrung gegenüber konventionell ausgelegten Beckenwänden. Die vorliegende Arbeit beinhaltet sowohl grundlegende Betrachtungen als auch auslegungsrelevante Empfehlungen für den Einsatz von Hochleistungsbeton in offenen Klärbecken unter Berücksichtigung und Nutzung des aktuellen Stands der Technik. Die Verbindung von wirklichkeitsnahen Berechnungen, bauteilbezogen optimierten hochleistungsfähigen Baustoffen und modernen Bemessungsmethoden führen bei Berücksichtigung der gegebenen Empfehlungen zu Bauwerken, die als Ganzes der Leistungsfähigkeit des Baustoffs HPC entsprechen. Für zukünftige Bauprojekte gilt es nun, die durchgeführten Berechnungen und die dazu erforderlichen Versuchsreihen als Planungswerkzeug zu etablieren und den Planenden und Ausführenden zugänglich zu machen. Dies kann entweder durch umfangreiche Parameterstudien zu möglichen Bemessungsszenarien oder mittels individueller Beratung durch baustofftechnologische Institute erfolgen. Insgesamt müssen ganzheitliche Entwurfskonzepte erstellt werden, anhand derer über eine optimierte Wandlängsbewehrung hinaus auch die Bewehrung der Sohlplatte und die Biegezugbewehrung in der Wand berücksichtigt und stoffbezogen ermittelt wird. Die Erweiterung der Betrachtungen auf alle Behältertypen eröffnet zusätzlich ein breites Spektrum für die Ausschöpfung des Potentials von Hochleistungsbeton. Auch hier besteht weiterer Forschungsbedarf, um bauwerksbezogene Auslegungsempfehlungen zu entwickeln. Weiteres Optimierungspotential für alle Bauteile ist durch die Verwendung innovativer etonwerkstoffe, wie selbstverdichtender Hochleistungsbeton und dauerhafter Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) gegeben, bei denen der Stand der Forschung in naher Zukunft möglicherweise so weit fortgeschritten sein wird, dass auch hier stoffgerechte Applikationen erarbeitet werden können

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