Experimentelle Untersuchungen unterschiedlicher Bewehrungskonzepte von Tübbing-Längsfugen

Abstract

Die maschinelle Vortriebsmethode mittels Tunnelbohrmaschine (TBM) findet im Tunnelbau insbesondere bei längeren Tunnelabschnitten Anwendung. In der Regel erfolgt dann die Auskleidung des Tunnels mit Stahlbetontübbingen. Bei der erforderlichen Bemessung bestimmt im Allgemeinen der Nachweis der Kraftübertragung in der Tübbing-Längsfuge die Tübbingdicke. Aufgrund der üblicherweise beträchtlichen Tunnellängen werden durch schlankere Tübbinge eine erhebliche Reduzierung der Kosten und Umweltauswirkungen eines Tunnelbauprojekts erwartet. Daher besteht großes Interesse darin, die Bemessungs- und Ausführungskonzepte der Tübbing-Längsfuge zu optimieren. In diesem Zusammenhang wurde auch am Institut für Tragkonstruktionen (Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau) der TU Wien ein neuartiges Bewehrungskonzeptentwickelt. Im Zuge dieser Diplomarbeit wird auf Grundlage von experimentellen Untersuchungen (2 Versuchsserien á 4 Versuchsreihen mit je 2 Versuchen) dieses neu entwickelte Bewehrungskonzeptunter Variation der Tübbingdicke und des Querbewehrungsgrades untersucht und mit dem konventionellen Bewehrungskonzept verglichen. Dabei beschränkt sich die Betrachtung nicht nur auf die Tragfähigkeit, sondern berücksichtigt auch die Umweltauswirkungen. Zu Beginn der vorliegenden Arbeit wird der Hintergrund für die nachfolgende Versuchsdurchführung erläutert, auf den aktuellen Stand der Forschung eingegangen und die ökologische Bewertung von Bauteilen diskutiert. Anschließend werden die Vorbereitungen sowie der Ablauf für die Versuchsdurchführung beschrieben, einschließlich der Unterschiede der Versuchskörper, der eingesetzten Messtechnik und des Versuchsaufbaus. Schließlich werden die Ergebnisse der durchgeführten Großversuche präsentiert. Es werden Kraft-Stauchungs-Diagramme, Rissbilder basierend auf einem photogrammetrischen Messsystem sowie ausgewählte Versagensbilder aus der Fotodokumentation betrachtet und die Bruchlasten der jeweiligen Versuchsreihen gegenübergestellt. Des Weiteren wird zur ökologischen Bewertung das Gesamttreibhauspotenzial (GWP) der Versuchskörper berechnet und mit den jeweiligen Bruchlasten in Beziehung gesetzt. Es zeigt sich, dass die Tragfähigkeit der Tübbing-Längsfuge sowohl durch die Erhöhung des Querbewehrungsgrades (bis zu 27%) als auch die Anwendung des optimierten TU Wien-Bewehrungskonzepts (bis zu 35%) erhöht werden kann. Durch die gleichzeitige Erhöhung des Querbewehrungsgrades und der Anwendung des neuartigen Bewehrungskonzepts kann im Vergleich zum konventionellen Bewehrungskonzept mit niedrigem Querbewehrungsgrad sogar eine Traglaststeigerung von bis zu 89% erreicht werden. Auch die Ressourceneffizienz der Tübbinge wird im Vergleich zu den jeweiligen Referenz-Tübbingen um bis zu 17% verbessert. Dies liegt daran, dass die Zunahme der Tragfähigkeit stärker ist als die Zunahme der Umweltauswirkungen. Insgesamt zeigt und bestätigt die Arbeit die erheblichen Potenziale zur Erhöhung der Tragfähigkeit und zur Verringerung der Umweltauswirkungen eines Tunnelbauprojekts, die sich aus einer optimierten Gestaltung der Tübbing-Längsfuge ergeben.

The mechanized tunnel boring method using a Tunnel Boring Machine (TBM) is commonly used in tunnel construction, especially for longer tunnel sections. Typically, the tunnel is lined with reinforced concrete segments. In the design process, the thickness of the entire lining is usually determined by the verification of the load transfer at the longitudinal joint of the segments. Due to the often considerable tunnel lengths, the use of thinner segments is expected to significantly reduce the cost and environmental impact of a tunneling project. Therefore, there is great interest in optimizing the design and construction concepts of the longitudinal joint of segmental tunnel linings. In this context, a new reinforcement concept was developed at the Institute of Structural Engineering (Research Unit of Structural Concrete) at TU Wien. Within the scopeof this work, experimental investigations (2 series of 4x2 tests) based on the newly developed reinforcement concept are conducted. The correspondingly reinforced segments with varying thicknesses and transverse reinforcement ratios are compared to the conventionally reinforced segments. The consideration is not limited to the load-bearing capacity, but also takes into account the environmental effects. At the beginning of this work, the background for the following experiments is explained, the current state of research is dealt with and the ecological evaluation of structural componentsis addressed. Subsequently, the preparations as well as the procedure for the text executionare described, including the differences of the test specimens, the measurement technology used and the test setup. Finally, the results of the large-scale experiments are presented. These include load-strain diagrams, crack patterns based on a photogrammetric measurement system and selected failure patterns from the photo documentation, along with a comparison of the ultimate loads of the respective test series. Additionally, for an ecological assessment, the overall global warming potential (GWP) of the test specimens is calculated and related to the respective ultimate loads.It is shown that the load-bearing capacity of the longitudinal joint of tunnel segments can be increased both by raising the transverse reinforcement ratio (up to 27%) and by applying the optimized TU Wien reinforcement concept (up to 35%). By simultaneously increasing thetransverse reinforcement ratio and applying the novel reinforcement concept, an increase inload-bearing capacity of up to 89% can be achieved. Furthermore, the resource efficiency of the segments is improved by up to 17% compared to the reference segments. This is because the increase in load-bearing capacity outweighs the increase in environmental impact. Overall, the study highlights and confirms the significant potential for increasing the load-bearing capacity and reducing the environmental impact in tunnel construction projects through an optimized design of the longitudinal joint of segmental tunnel linings.