TY - THES

T1 - Durchführung von Faserbetontübbing-Großversuchen und deren Simulation

AU - Speckmoser, Valentin

N1 - nicht gesperrt

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Aufgrund vermehrter positiver Erfahrungen im Umgang mit dem Baustoff Faserbeton sowie der ständigen Weiterentwicklung von Fasertypen aus verschiedenen Werkstoffen, stellt sich in jüngerer Vergangenheit die Frage, ob dieser Baustoff den herkömmlichen Stahlbeton in Tübbingen ersetzen und damit seine Vorteile implementieren kann. Neben einer höheren Schlagfestigkeit, verbesserter Brand- und Korrosionsbeständigkeit und einer beträchtlichen Biegezugfestigkeit könnte dieser Baustoff aufgrund logistischer Erleichterungen deutliche monetäre Vorteile mit sich bringen. Aus diesen Gründen wird in der vorliegenden Arbeit der Stand der Technik zum Thema Faserbeton beleuchtet und wesentliche Gesichtspunkte, die für dessen Einsatz zur Herstellung von Tübbingen sprechen, erläutert. Zudem wird der Blick darauf gerichtet, warum der Einsatz von faserverstärktem Beton zurzeit nicht uneingeschränkt möglich ist, und es werden internationale Anwendungsbeispiele vorgestellt. In Österreich wird ein derartiger Einsatz aktuell vor allem durch unzureichende Versuche zur Parametergewinnung und Diskrepanzen in den geltenden Regelwerken, welche für die Bemessung sowie die Nachweisführung herangezogen werden, verhindert. Eine wesentliche Eigenschaft, welche für die Verwendung in Tübbingen ausschlaggebend ist, jedoch mit den herkömmlichen in den Normen enthaltenen Biegeversuchen nur unzureichend abgebildet wird, ist das Nachbruchverhalten des Betons. Durch Maßstabseffekte und stark variierende Versuchsergebnisse wird das Materialverhalten oftmals falsch beurteilt. Da die Betonfertigelemente unter anderem in komplexen geologischen und geotechnischen Verhältnissen eingesetzt werden, ist die Kenntnis über deren Auslastungsgrad unumgänglich. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Scheiteldruckversuche an Tübbingen im Maßstab 1:1 durchgeführt und anschließend hinsichtlich deren Tragfähigkeit ausgewertet. Dabei wird ihr gesamter Herstellungsprozess in einem Betonfertigteilwerk, sowie die Versuchsvorbereitung und -durchführung an der Tübbingprüfstelle der Montanuniversität Leoben in Niklasdorf beschrieben. Hierbei wird besonders auf die messtechnische Einrichtung der Tübbingversuche sowie die damit verbundenen Auswertungsprozesse eingegangen. Da Finite-Elemente-Analysen in der Bauindustrie heute immer häufiger zur Anwendung kommen und die Kosten für die Durchführung der Tübbing-Großversuche nicht unerheblich sind, stellen numerische Analysen eine gute Alternative zu den realen Versuchen dar. Das Trag- und Verformungsverhalten der Faserbetontübbinge, das in einer ersten Stufe über die Großversuche beleuchtet wird, wird deshalb anschließend durch ein numerisches Simulationsmodell möglichst realitätsgetreu nachgebildet. Besonderer Wert wird dabei auf eine entsprechende Übereinstimmung im Verhalten nach dem Erstriss gelegt, was durch entsprechende Materialmodelle ermöglicht werden soll. Im Rahmen der durchgeführten Simulation wird die Modellerstellung genau dokumentiert und deren Einschränkungen beleuchtet. Zusätzlich wird eine Sensitivitätsanalyse bezüglich der Diskretisierung und der Elementgrößen durchgeführt. Zur Darstellung des Werkstoffverhaltens von Faserbeton werden bestehende Concrete Damaged Plasticity Materialmodelle verwendet, die anschließend hinsichtlich ihrer Übereinstimmung mit den tatsächlichen Großversuchen untersucht werden. Dabei besteht das übergeordnete Ziel, die verwendeten Eingabeparameter, welche im Rahmen einer vorangegangenen Arbeit über gängige Laborversuche ermittelt wurden, zu verifizieren. Abschließend werden Anpassungsfaktoren für die Input-Parameter der Materialmodelle ermittelt, welche eine bessere Übereinstimmung der Versuchs- und der Simulationsergebnisse bewirken sollen.

AB - Aufgrund vermehrter positiver Erfahrungen im Umgang mit dem Baustoff Faserbeton sowie der ständigen Weiterentwicklung von Fasertypen aus verschiedenen Werkstoffen, stellt sich in jüngerer Vergangenheit die Frage, ob dieser Baustoff den herkömmlichen Stahlbeton in Tübbingen ersetzen und damit seine Vorteile implementieren kann. Neben einer höheren Schlagfestigkeit, verbesserter Brand- und Korrosionsbeständigkeit und einer beträchtlichen Biegezugfestigkeit könnte dieser Baustoff aufgrund logistischer Erleichterungen deutliche monetäre Vorteile mit sich bringen. Aus diesen Gründen wird in der vorliegenden Arbeit der Stand der Technik zum Thema Faserbeton beleuchtet und wesentliche Gesichtspunkte, die für dessen Einsatz zur Herstellung von Tübbingen sprechen, erläutert. Zudem wird der Blick darauf gerichtet, warum der Einsatz von faserverstärktem Beton zurzeit nicht uneingeschränkt möglich ist, und es werden internationale Anwendungsbeispiele vorgestellt. In Österreich wird ein derartiger Einsatz aktuell vor allem durch unzureichende Versuche zur Parametergewinnung und Diskrepanzen in den geltenden Regelwerken, welche für die Bemessung sowie die Nachweisführung herangezogen werden, verhindert. Eine wesentliche Eigenschaft, welche für die Verwendung in Tübbingen ausschlaggebend ist, jedoch mit den herkömmlichen in den Normen enthaltenen Biegeversuchen nur unzureichend abgebildet wird, ist das Nachbruchverhalten des Betons. Durch Maßstabseffekte und stark variierende Versuchsergebnisse wird das Materialverhalten oftmals falsch beurteilt. Da die Betonfertigelemente unter anderem in komplexen geologischen und geotechnischen Verhältnissen eingesetzt werden, ist die Kenntnis über deren Auslastungsgrad unumgänglich. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Scheiteldruckversuche an Tübbingen im Maßstab 1:1 durchgeführt und anschließend hinsichtlich deren Tragfähigkeit ausgewertet. Dabei wird ihr gesamter Herstellungsprozess in einem Betonfertigteilwerk, sowie die Versuchsvorbereitung und -durchführung an der Tübbingprüfstelle der Montanuniversität Leoben in Niklasdorf beschrieben. Hierbei wird besonders auf die messtechnische Einrichtung der Tübbingversuche sowie die damit verbundenen Auswertungsprozesse eingegangen. Da Finite-Elemente-Analysen in der Bauindustrie heute immer häufiger zur Anwendung kommen und die Kosten für die Durchführung der Tübbing-Großversuche nicht unerheblich sind, stellen numerische Analysen eine gute Alternative zu den realen Versuchen dar. Das Trag- und Verformungsverhalten der Faserbetontübbinge, das in einer ersten Stufe über die Großversuche beleuchtet wird, wird deshalb anschließend durch ein numerisches Simulationsmodell möglichst realitätsgetreu nachgebildet. Besonderer Wert wird dabei auf eine entsprechende Übereinstimmung im Verhalten nach dem Erstriss gelegt, was durch entsprechende Materialmodelle ermöglicht werden soll. Im Rahmen der durchgeführten Simulation wird die Modellerstellung genau dokumentiert und deren Einschränkungen beleuchtet. Zusätzlich wird eine Sensitivitätsanalyse bezüglich der Diskretisierung und der Elementgrößen durchgeführt. Zur Darstellung des Werkstoffverhaltens von Faserbeton werden bestehende Concrete Damaged Plasticity Materialmodelle verwendet, die anschließend hinsichtlich ihrer Übereinstimmung mit den tatsächlichen Großversuchen untersucht werden. Dabei besteht das übergeordnete Ziel, die verwendeten Eingabeparameter, welche im Rahmen einer vorangegangenen Arbeit über gängige Laborversuche ermittelt wurden, zu verifizieren. Abschließend werden Anpassungsfaktoren für die Input-Parameter der Materialmodelle ermittelt, welche eine bessere Übereinstimmung der Versuchs- und der Simulationsergebnisse bewirken sollen.

KW - Faserbeton

KW - Tübbing

KW - Großversuche

KW - Numerische Simulation

KW - Concrete Damage Plasticity Materialmodell

KW - Plastisches Schädigungsmodell

KW - Maschineller Tunnelbau

KW - fiber-reinforced concrete

KW - segmental lining

KW - large-scale loading tests

KW - numerical modelling

KW - concrete damage plasticity model

KW - mechanised tunnelling

M3 - Masterarbeit

ER -