Zum Einsatz von Holz-Faserbeton-Verbunddecken: Theoretische und experimentelle Untersuchungen

Abstract

Innerhalb dieser Diplomarbeit werden Holz-Faserbeton-Verbunddecken näher untersucht. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der Bemessung von Holz-Faserbeton-Verbunddecken als auch auf der Untersuchung von Faserbeton als Teil der Verbunddecke. Durch diese Betrachtungen soll aufgezeigt werden, ob Faserbeton eine wirtschaftliche Alternative zu normal bewehrtem Beton in Holz-Beton-Verbunddecken sein kann. Neben dieser Fragestellung wird weiters nach dem Unterschied in der Bemessung von Holz-Faserbeton-Verbunddecken in Österreich und Deutschland gefragt. Aus diesem Grund werden die Grundlagen für die Berechnungen ausgearbeitet und für Österreich und Deutschland verglichen. Bei der Berechnung von Holz-Beton-Verbunddecken mit Hilfe des γ-Verfahrens erfolgt, anhand der Einwirkungen auf den Gesamtquerschnitt, eine Aufteilung der Schnittgrößen auf die einzelnen Querschnittsteile. Danach werden die Nachweise an den Einzelquerschnitten geführt. Für den Holzquerschnitt und die Verbindungsmittel regelt die EN 1995-1-1 [1] die Nachweisführungen im Hochbau, diese unterscheiden sich maximal durch den nationalen Anhang. Hingegen ist die Anwendung von Faserbeton in Normen nicht geregelt. Allerdings existieren Richtlinien für die Bemessung von Faserbeton. In Deutschland ist dies die vom deutschen Ausschuss für Stahlbeton herausgegebene Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [2] und in Österreich von der österreichischen Bautechnik Vereinigung herausgebrachte Richtlinie „Faserbeton“ [3]. Daher werden die Unterschiede der Richtlinien dargestellt und in weiterer Folge die Auswirkungen in der Bemessung von Holz-Faserbeton-Verbunddecken aufgezeigt.Ziel dieser Arbeit ist es, die Vor- und Nachteile von Holz-Faserbeton-Verbunddecken aufzuzeigen und damit einen wirtschaftlichen Einsatz zu ermöglichen. Außerdem soll ein Zusammenhang der beiden Richtlinien in Bezug auf Verbunddecken erstellt werden, um für den Einsatz von Faserbeton in unterschiedlichen Ländern, keine zusätzlichen Prüfungen für die Klassifizierung durchführen zu müssen.In einem ersten Schritt wird der Faserbeton selbst näher beschrieben, dabei wird auf die unterschiedlichsten Arten von Fasern und das Tragverhalten allgemein eingegangen. Dies stellt den Stand der Technik dar und beschreibt die Eigenschaften von Faserbeton. Im zweiten Schritt werden die beiden Richtlinien aus Deutschland und Österreich beschrieben und miteinander verglichen. Hier ist ersichtlich, dass es unterschiedliche Versuchsaufbauten, Klasseneinteilungen und Berechnungsmethoden gibt. Um diese Unterschiede aufzuzeigen, wurden in einem weiteren Schritt experimentelle Untersuchungen mit einem einheitlichen Stahlfaserbeton durchgeführt. Insgesamt 24 Probekörper in Form von Balken wurden anhand von 4-Punkt-Biegeversuchen geprüft und nach der jeweiligen Richtlinie ausgewertet. Dabei gibt es sowohl Unterschiede bei der äquivalenten Biegezugfestigkeit als auch bei den Bemessungswerten der Nachrisszugfestigkeit. Bei den Bemessungswerten wurden zum Teil große Unterschiede festgestellt, obwohl es sich um den gleichen Faserbeton handelt. In einem weiteren Schritt wurde danach überprüft, wie sich diese Differenzen beim Faserbeton auf die Bemessung der Holz-Faserbeton-Verbunddecke auswirken. Anhand von Berechnungen stellte sich heraus, dass die vorher großen Unterschiede der Nachrisszugfestigkeiten wenig Einfluss auf die Tragfähigkeit von Holz-Faserbeton-Verbunddecken haben. Zuletzt wurden für eine Betrachtung der Wirtschaftlichkeit, Vergleiche zwischen Holz-Beton-Verbunddecken mit Stahlfasern und mit herkömmlicher Bewehrung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass bei Faserbeton die erforderliche Anzahl an Verbindungsmittel größer ist. Allerdings spielt hierbei insbesondere die Dicke der Faserbetonschicht, die Spannweite der Decke und die tatsächliche Auflast eine große Rolle. Beim Einsatz von Stahlfaserbeton ist somit keine zusätzliche Bewehrungsverlegung, allerdings eine größere Verbindungsmittelzahl notwendig. Holz-Faserbeton-Verbunddecken stellen daher vor allem bei Bauen im Bestand eine Alternative zu konventionellem Beton mit Bewehrung dar.

Within this diploma thesis, timber-fiber concrete-composite floors are investigated in more detail. The focus is on the design of timber-fiber concrete-composite floors as well as on the investigation of fiber-reinforced concrete as part of the composite floor. These considerations are intended to show whether fiber-reinforced concrete can be an economical alternative to normally reinforced concrete in timber-fiber concrete-composite floors. In addition to this question, the difference in the design of timber-fiber concrete-composite floors in Austria and Germany will also be investigated. For this reason, the basics for the calculations are elaborated and compared for Austria and Germany. In the calculation of timber-fiber concrete-composite floors especially with the γ-method, the forces are distributed to the individual cross-section parts on the basis of the influence on the total cross-section. Afterwards, the verifications are carried out on the individual cross-sections. For the timber cross-section and the connecting elements, EN 1995-1-1 [1] regulates the verification procedures in building constructions, which differ at most by the national annex. Fiber-reinforced concrete, on the other hand, is not regulated in the Eurocode. However, there are guidelines for the design of fiber-reinforced concrete. In Germany, this is the guideline "Steel Fiber Concrete" [2] published by the German Committee for Reinforced Concrete, and in Austria, the guideline "Fiber Concrete" [3] published by the Austrian „Bautechnik Vereinigung“. Therefore, the differences between the guidelines are presented and subsequently the effects in the design of timber-fiber concrete-composite floors are shown.The aim of this thesis is to work out the advantages and disadvantages of timber-fiber concrete-composite floors to enable their economic use. In addition, a correlation of the two guidelines in relation to composite floors is to be established, in order to avoid additional tests for the classification for the use of fiber-reinforced concrete in different countries.In a first step, the fiber-reinforced concrete itself will be described in more detail, including the various types of fibers and the load-bearing behavior in general. This represents the state of the art and shows charcteristics of fiber-reinforced concrete. In the second step, the two guidelines from Germany and Austria are described and compared. Here it is evident that there are different test setups, classifications and calculation methods. In order to highlight these differences, experimental tests were carried out with a uniform steel fiber concrete in a further step. A total of 24 beams were tested using 4-point bending tests and evaluated according to the respective guideline. There are differences in the equivalent flexural strength as well as in the design values of the post-cracking tensile strength. In some cases, big differences were found in the design values, although the same fiber-reinforced concrete was used. In a further step, it was then examined how these differences in the fiber-reinforced concrete affect the dimensioning of timber-fiber concrete-composite floors. Based on calculations, it was found that the previously large differences in post-cracking tensile strenghts have little influence on the load bearing capacity of timber-fiber concrete-composite floors. Finally, for a consideration of the economic efficiency, comparisons were made between composite ceilings with steel fiber concrete and with conventional reinforcement. This showed that the required number of connection elements is higher for fiber-reinforced concrete. However, the thickness of the fiber-reinforced concrete layer, the span oft the ceiling and the actual load play a major role here. Thus, when using steel fiber reinforced concrete, no additional reinforcement laying is required, but a larger number of connection elements is necessary. Timber-fiber concrete-composite floors are an alternative to reinforced concrete, especially for constructions in existing buildings.