Gogic, J. (2021). Untersuchungen zum Einsatz von UHPC und FVK-Bewehrungsstäben für eine weitgespannte, freitragende Treppenkonstruktion [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.84866
Ultrahochleistungsbeton; gefaltetes Tragwerk; große Spannweite
de
UHPC; folded structure; long span
en
Abstract:
Treppen übernehmen im Hochbau oftmals eine repräsentative Rolle und müssen Spannweiten überbrücken, die mithilfe des konventionellen Stahlbetonbaus keine schlanken Konstruktionen ermöglichen. Dahingehend wird in dieser Arbeit der Einsatz von Ultrahochleistungsbeton (UHPC) und Faserverbundkunststoff (FVK)-Bewehrungsstäben zur Schaffung von dünnen Treppenkonstruktionen untersucht. Weiters werden die Auswirkungen dieser Materialien auf die Umwelt und die Kosten betrachtet.Im ersten Kapitel wird ein Überblick zu Treppen geschafft. Darin werden die unterschiedlichen Konstruktionsformen- und materialien, sowie die Vereinfachungen des statischen Systems beschrieben.Anschließend werden die Grundlagen der Werkstoffe UHPC und FVK-Bewehrungsstäbe näher erläutert. Hierbei wird auf die Zusammensetzung, den Herstellungsprozess und die mechanischen Eigenschaften eingegangen. Im ersten Untersuchungsschritt wird eine Bemessung mit den verschiedenen Materialmodellen an der Geometrie der RAIQA-Treppe vorgenommen.Die Treppenbezeichnung stammt vom gleichnamigen Realisierungsprojekt RAIQA, bei welchem weitgespannte Treppen im Atrium geplant sind. Bei der analytischen Berechnung stellt sich heraus,dass aufgrund der Spannweite durchwegs die Nachweise zur Begrenzung der Verformung bzw.der Schwingungen maßgebend sind. Um die Ergebnisse der analytischen Verformungsberechnung zu validieren, wird daraufhin eine nichtlineare numerische Analyse mit der Software ATENA 2D durchgeführt. Des Weiteren wird das Bruchverhalten betrachtet, um zu sehen, zu welchen Versagensmechanismen es kommt und ob diese durch die Modellvereinfachungen berücksichtigt wurden.Das letzte Kapitel beinhaltet eine Parameterstudie, bei der die Treppenvarianten für festgelegte Spannweiten geprüft werden. Als Parameter dienen die Bauteilhöhe und die Bewehrungsfläche.Das Ziel der Parameterstudie ist das Auffinden der niedrigsten erforderlichen Bauteilhöhe sowieder Dimensionen, die die geringsten Auswirkungen auf die Umwelt und die Kosten verursachen.Dadurch kann festgestellt werden, ob bei gewissen Spannweiten andere Faktoren bzw. Nachweise maßgebend werden und bei welchen Längen der Einsatz einzelner Materialien sinnvoll ist.Die Bemessungsergebnisse der RAIQA-Treppe zeigen, dass ausschließlich mit UHPC eine ähnlich schlanke Konstruktion geschaffen werden kann wie mit Stahl. Aufgrund der Rissbildung und der Langzeiteffekte verlieren die Betonvarianten deutlich an Steifigkeit, wodurch die Verformungs- und Schwingungsbegrenzung nicht eingehalten werden kann. FVK-Bewehrungsstäbe erweisen sich im Vergleich zum konventionellen Bewehrungsstahl für diese Anwendung als keine sinnvolle Alternative.Bei Treppen in Innenräumen, die keinen hohen Dauerhaftigkeitsbelastungen ausgesetzt sind,zeigt sich der Vorteil der niedrigeren Betondeckung im Vergleich zur Stahlbetonbauweise noch nicht als ausreichend, um den niedrigeren E-Modul auszugleichen. In der Parameterstudie konnte gezeigt werden, dass bei verschiedenen Spannweiten unterschiedliche Faktoren bei der Beurteilung maßgebend werden. So erscheint ein Einsatz von Stahlbeton für kurze Spannweiten sinnvoll,während für mittlere Spannweiten die UHPC-Anwendung am besten geeignet ist, solange die Rissbildung nicht einschreitet. Für weitgespannte Treppenkonstruktionen bietet die Verwendungvon Stahl die beste Lösung.
de
In building construction staircases often play a representative role and have to cover spans thatdo not enable slim constructions with the use of conventional reinforced concrete technology.Therefore this work examines the use of ultra-high-performance concrete (UHPC) and fiberreinforced polymer (FRP) rebars for the creation of thin stair constructions. Furthermore the costs and the impact of these materials on the environment will be investigated.The first chapter provides an overview of stairs. It describes the different construction forms and materials alongside the simplifications of the static system. Subsequently the fundamentals of the materials, namely UHPC and FRP rebars, are explained in more detail. The focus lies on the composition, the manufacturing process and the mechanical properties. This work initially investigates the dimensioning of the different material models on the RAIQA staircase geometry.The stair designation originates from the RAIQA project, in which wide span stairs are plannedto be utilized in the atrium. During the analytical calculation, it was found out that due to the span, the verifications for the limitation of the deformation and vibration are crucial. In order to validate the results of the analytical calculation, a non-linear numerical analysis was performed with the software ATENA 2D. Furthermore the fracture behavior is looked at to see which failure mechanisms occur and whether these are taken into account by the model simplification. The lastchapter contains a parameter study in which the stair variants for particular spans are examined.The component height and the reinforcement area are used as parameters. The goal of this examination is to find the lowest required component height as well the dimensions that have the least impact on the environment and costs. This makes it possible to determine whether other factors or evidence are decisive for certain spans, as well as finding reasonable individual materials for the various lengths.The design results of the RAIQA staircase show that only UHPC is capable of creating a similarly slim structure as steel. Due to the cracking and the long-term effects, the concrete variants lose their rigidity significantly, which results in not fulfilling the deformation and vibration limitations. FRP rebars do not prove to be a sensible alternative for this application compared to conventional steel reinforcement. For indoor stairs, which are not exposed to high durability loads, the advantage of the lower concrete cover compared to steel reinforced concrete is not sufficient to compensate the lower modulus of elasticity. The parameter study showed, that with various spans, different factors are decisive in the assessment. For example, the use of steel reinforced concrete seems to make sense for short spans, while the UHPC application is bestsuited for medium spans, as long as cracking does not occur. The use of steel is the best solution for wide-span stair constructions.