Materialeffizientes Konstruieren - Trajektorienbewehrung und Vorspannung bei Bauteilen aus textilbewehrtem Ultrahochleistungsbeton

Abstract

Textilbewehrter Ultrahochleistungsbeton (TRUHPC) ist ein moderner, leistungsstarker Verbundbaustoff, der neben seiner hohen Tragfähigkeit durch seine ausgeprägte Dauerhaftigkeit hervorsticht. Diese Eigenschaften erlauben es, schlanke Querschnitte mit geringen Bauteildicken zu dimensionieren, wodurch erhebliche Mengen an Material eingespart werden können. Besonders bei kostenintensiven Hochleistungswerkstoffen ist es von großer Bedeutung, das Material gezielt und effizient anzuwenden. Um eine möglichst hohe Ausnutzung zu erzielen, ist es daher wichtig, das Material mit den richtigen Eigenschaften an der richtigen Stelle einzusetzen. Das Konzept der Trajektorienbewehrung ermöglicht dies durch eine gezielte Anordnung der Bewehrungselemente entlang der Zugspannungstrajektorien. Der Verbrauch von Ultrahochleistungsbeton wird durch effiziente, materialsparende Querschnittsformen gering gehalten, welche durch die TRUHPC-Bauweise auch im kleineren Maßstab ermöglicht werden. Eine weitere, in der Praxis gebräuchliche und bewährte Methode zur Steigerung der Materialeffizienz, stellt die Vorspannung dar. Die äußerst hohen Festigkeiten der Komponenten des TRUHPC bieten ideale Voraussetzungen für die Anwendung dieser Bauweise. Die genannten Methoden stellen selbstverständlich höhere Anforderungen sowohl an die Bemessung, als auch an die Herstellung der Bauteile, wodurch Aufwand und Kosten erhöht werden. Es ist für solche Bauweisen daher substanziell, dass der zusätzliche Aufwand in einem angemessenen Verhältnis zum Nutzen steht. Ziel dieser Arbeit ist es, die Effizienzsteigerung durch Anwendung der Trajektorienbewehrung und der Vorspannung auf TRUHPC-Bauteile durch numerische Analysen zu quantifizieren und das Tragverhalten zu bewerten. Die vorliegende Arbeit lässt sich in zwei Abschnitte gliedern. Zunächst erfolgt die Behandlung der Grundlagen des Baustoffs TRUHPC sowie eine Einordnung dieses innovativen Baustoffs in einem Abriss zur geschichtlichen Entwicklung von Betonkonstruktionen. Der zweite Teil besteht aus der numerischen Analyse und der anschließenden Darstellung sowie Interpretation der Ergebnisse.

Textile reinforced ultra high performance concrete (TRUHPC) is an innovative composite material with an outstanding compressive strength and excellent durabilty. These properties allow for the design and construction of thin-walled concrete cross sections, creating the potential for significant material savings in concrete structures. The reduction of material usage is a high priority, especially when it comes to high-cost materials, such as carbon fiber or similar components. It is therefore essential to attain the highest possible utilisation of the used materials. To ensure this, the correct positioning of the components within the structure is of very high importance. This can be achieved by a targeted reinforcement along the tensile stress trajectories in a strucutre. Another way to accomplish an efficient material exploitation is the tried and tested concept of prestressing concrete structures. The exceptional material properties of UHPC and fiber reinforced polymers make TRUHPC an ideal candidate for this construction technique. High performance techniques such as these demand higher requirements for the design and construction process, making them only viable if the resulting structural improvements justify the additional costs and efforts. The main goal of this thesis is to analyse and evaluate the achievable gain in material efficiency by using stress trajectory reinforcement and prestressing in TRUHPC structures. The analysis is performed by means of a finite element simulation. In the first part of this thesis, the basic properties of concrete and TRUHPC are covered, including a brief historic outline of the evolution of cementitious materials and structures leading up to recent developments such as TRUHPC. The second part constitutes the numerical analysis of six TRUHPC beams with varying reinforcement types, as well as the discussion and interpretation of the obtained results.