Untersuchungen zum Ausziehwiderstand von Verbindungsmitteln bei dünnen bewehrten UHPC-Platten

Abstract

Bei bestimmten Montageverfahren (z.B. Vorschub- oder Klappverfahren) im Brückenbau wird die Konstruktion aufgrund der ungünstigen Lagerungssituation während der Montage maßgeblich beansprucht. Zu diesem Zeitpunkt wirkt hauptsächlich das Eigengewicht, weshalb eine Gewichtseinsparung der zu montierenden Konstruktionselemente anzustreben ist. Mit diesem Ziel vor Augen wurde eine Doppelwand aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC), die als Steg in einem Brückenträger verwendet werden soll, an der TU Wien entwickelt. Bei Einsatz von Halbfertigteilen im Brückenbau kann ein erheblicher Anteil des Eigengewichts durch die nachträgliche Ortbetonergänzung eingespart werden. Durch die Verwendung von UHPC bei der Herstellung der vorgefertigten Doppelwandelemente kann außerdem die Schlankheit der Bauteile erhöht werden. Zusätzlich wirkt sich das günstigere Verhältnis von Eigengewicht zu Festigkeit im Vergleich zu Normalbeton positiv auf die Schnittgrößen im Montagezustand aus. Als Schwerpunkt widmet sich diese Diplomarbeit den Verbindungsmitteln der neu entwickelten UHPC-Doppelwand. Diese werden vorwiegend durch den Schalungsdruck beansprucht, der beim Verfüllen des Hohlraums mit Frischbeton entsteht. Dabei sind die Verbindungsmittel in den nur 30 mm dicken UHPC-Platten zu verankern. Anhand einer Literaturrecherche werden vorab die Möglichkeiten der am Markt vorhandenen Verbindungsmittel abgeschätzt. Eine wichtige Randbedingung ist dabei die Korrosionsbeständigkeit, da aufgrund der geringen Wanddicke die Verankerung in günstiger Weise bis an die Oberfläche der UHPC-Platte erfolgt. Ein weiteres Kapitel gibt einen Überblick über die wesentlichen Eigenschaften von UHPC. Von großem Vorteil für die hier dargestellte Anwendung sind die exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften von UHPC, insbesondere bei Anwendung im Verkehrswegebau. Eine Quantifizierung der potentiell auf die Doppelwand einwirkenden Lasten sowie eine Abschätzung der Tragfähigkeit anhand der aktuell gültigen Bemessungsdokumente erfolgt gegen Ende des ersten Abschnitts. Darüber hinaus werden Probleme aufgezeigt, die bei der Adaptierung bestehender Bemessungsmodelle auf die neuartige Konstruktion auftreten. Um die theoretischen Überlegungen, die vorab getroffen wurden, mit der Realität zu überprüfen, wurde ein Versuchsprogramm an kleinformatigen Auszugversuchen geplant. Diese experimentellen Untersuchungen sind im zweiten Abschnitt dieser Arbeit dokumentiert. Die Herstellung der Versuchskörper erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochbau und Technologie - Forschungsbereich für Baustofflehre, Werkstofftechnologie und Brandsicherheit. Aufgeteilt auf zwei Versuchsreihen wurden zahlreiche Versuchskörper im institutseigenen Labor geprüft. Dies war aufgrund der wenigen Erfahrungswerte in diesem speziellen Anwendungsfall notwendig. Auf Basis der Versuche konnte die optimale Konstruktion gefunden und das Berechnungsmodell zur rechnerischen Bestimmung des Tragwiderstandes verifiziert werden.

Bridge constructions are stressed significantly during certain construction procedures (incremental launching or balanced cantilever method) due to unfavorable building stages. In such cases the stress is mainly caused by the deadweight of the construction. Hence, a weight reduction of the used construction elements appears desirably. For this purpose, double-wall elements made of Ultra High Performance Concrete (UHPC) are being developed at the TU Wien. When using semi-finished elements in bridge engineering a significant amount of deadweight can be saved by the subsequent in-situ supplementation of concrete. The usage of UHPC in the production of the double-wall elements can lead to a reduction of the wall-thickness of the concrete panels. Compared to ordinary concrete the increased ratio of strength to deadweight of UHPC has an additional positive effect on the bearing capacity in the assembly process. This master thesis focuses in particular on the pin-shaped fasteners of UHPC-based double-wall elements. The fasteners are mainly stressed by the pressure, which is exerted upon filling the cavities with fresh concrete. Furthermore, they have to be anchored in the UHPC panels which exhibit a thickness of only 30 mm. Based on a literature review, the suitability of existing fasteners for the new construction method is estimated in advance. An important boundary condition is the resistance to corrosion, since the alacking wall thickness requires the anchorage to start at the surface of the UHPC panel. The properties of UHPC are summarized in a further chapter of this thesis. One great advantage of UHPC is linked to its excellent durability characteristics, in particular when used in road constructions. At the end of the first part of this thesis, the loads, which are acting upon the double-wall elements are quantified and the loading capacity is assessed on the basis of the currently valid design documents. Furthermore, problems which occur while adapting existing design models to the new construction are considered. In order to examine the theoretical considerations in reality, a test program consisting of small-sized pull-out tests was planned. These experimental studies are documented in the second part of this thesis. The preparation of the test specimens was carried out in collaboration with the Institute for Building Construction and Technology - Research Center of Building Materials, Material Technology and Fire Safety Science. In two separate test series several test specimen setups were analyzed. This approach was required since experience in this specific field of application was limited. On the basis of the conducted tests the optimal type of fastener for the new double-wall elements was found. Furthermore, the calculation model used for the arithmetical determination of the bearing resistance was verified.