Zum Tragverhalten von hoch beanspruchten Lastübertragungszonen im Segmenttunnelbau

Abstract

Bei der Errichtung von Infrastrukturbauten ist Stahlbeton mit seinen technischen Eigenschaftenaus heutiger Sicht noch immer ein unverzichtbarer Baustoff. Der daraus resultierende hohe Bedarf macht Stahlbeton für einen erheblichen Anteil der globalen Emissionen verantwortlich. Diese Arbeit soll einen Beitrag leisten, in Zukunft effizientere Tragstrukturen planen, bemessen und verwirklichen zu können. Dazu wird das Tragverhalten von Lastübertragungszonen im Betonfertigteilbau, insbesondere im Kontext von Tunnelauskleidungen, untersucht.Diese kumulative Dissertation setzt sich aus zwei Hauptteilen zusammen. In Teil I,„Einführung”, werden in der Einleitung die Problemstellungen, die sich bei Lastübertragungszonen im Segmenttunnelbau ergeben, erläutert. Darauf aufbauend werden die Zielsetzung und die davon abgeleiteten Forschungsfragen dieser Arbeit definiert und im nächsten Abschnitt durch die Abgrenzungen präzisiert.Im Kapitel der Grundlagen werden wichtige Aspekte der ein- und mehraxialen Druckfestigkeitvon Beton behandelt. Hierbei werden die mehraxialen Spannungszustände gemäß ihres Ursprungs gegliedert und der praktisch relevante Fall der Überlagerung von Spannungszuständen betrachtet. Des Weiteren erfolgt eine eingehende Betrachtung zur Bemessung der Tübbing-Längsfuge, inklusive historischer Entwicklung, Stand der Technik und dem patentierten Bewehrungskonzept der TU Wien. Das Kapitel Methodologie gibt einen Überblick über die angewandten Forschungsmethoden. In der Zusammenfassung der Publikationen werden die wichtigsten Ergebnisse erläutert und in den gesamtheitlichen Kontext dieser Arbeit gesetzt. Ebenfalls wird auf die anfangs definierten Forschungsfragen eingegangen. Abschließend beinhaltet der Teil I eine Schlussfolgerung basierend auf den wichtigsten Erkenntnissen sowie einen Ausblick auf aktuell in Arbeit befindliche und zukünftige Forschungsthemen.In Teil II, „Publikationen”, sind die drei Veröffentlichungen, welche allesamt ein Peer-Review-Verfahren durchlaufen haben, beigefügt. In der Publikation [1] wird anhand einer Literaturrecherche eine Forschungslücke bei Lastübertragungszonen in Bezug auf die Wechselwirkung von Lastausbreitung und Querbewehrung identifiziert. Um diese Lücke zu schließen, wurden experimentelle Tests am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien durchgeführt, wobei Parameter wie Lastkonzentration, Bewehrungsgrad und Material zur Aufbringung der konzentrierten Last variiert wurden. Die Ergebnisse bestätigten den signifikanten Einfluss der Querbewehrung auf das Tragverhalten von Lastübertragungszonen mit reduzierter Kontaktfläche. Ein Ingenieurmodell wurde anhand von mechanischen Überlegungen entwickelt, um die Tragfähigkeit von Lastübertragungszonen präziser vorhersagen zu können. Das Modell wurde durch experimentelle Versuche verifiziert und mit Daten der Literatur validiert. Im Vergleich zu existierenden Modellen in den europäischen Normen,die die Wechselwirkung zwischen Lastausbreitung und Querbewehrung vernachlässigen oder unzureichend abbilden, ermöglicht das vorgestellte Modell ein effizienteres Design für Lastübertragungszonen zwischen Fertigteilen aus Stahlbeton.Die Publikation [2] behandelt das Bewehrungskonzept der TU Wien, das stumpf gestoßene Längsbewehrungsstäbe zur Lastübertragung im Fugenbereich verwendet. Dieses wurde unter Verwendung experimenteller Tests und numerischer Simulationen untersucht. Die Ergebnisse der Grundlagenversuche verdeutlichen das große Potential der verhältnismäßig einfachen, strukturellen Verbesserungsmaßnahme. Weiters wurden Aspekte der praktischen Anwendung untersucht. Eine Ausführungsvariante, bei der ein Abstand zwischen der Stirnfläche der Bewehrungsstäbe vorgesehen ist, wurde auf Grundlage der Versuchsergebnisse ausgeschlossen. Abschließend wird ein Vorschlag zur rechnerischen Berücksichtigung der Längsbewehrung präsentiert.In der Publikation [3] wird die spezielle geometrische Situation einer Tübbing-Längsfugeanhand von Großversuchen im Maßstab 1:1 untersucht. Es werden Versuchskörper mit konventioneller Bewehrung dem neuen Bewehrungskonzept gegenübergestellt. Die experimentellermittelten Bruchlasten werden mit ausgewählten Modellen der Literatur verglichen. Daraus ergibt sich der Bedarf, das in Publikation [1] anhand von zylindrischen Versuchskörpern vorgestellte Modell für die spezielle Situation der Tübbing-Längsfuge zu adaptieren. Hinsichtlich des neuen Bewehrungskonzeptes verdeutlichen die Ergebnisse das Potenzial, schlankere oder tragfähigere Tunnelschalen konstruieren zu können. Insgesamt trägt die Arbeit dazu bei, das Verständnis und die Effizienz des Designs von Lastübertragungszonen in vorgefertigten Betonelementen für den Tunnelbau zu verbessern.

From today’s perspective, reinforced concrete with its technical properties is still an indispensable building material in the construction of infrastructure buildings and is therefore responsible for a considerable proportion of global emissions. This work isintended to contribute to the design, dimensioning and construction of more efficient structures in the future. For reaching this goal, the load-bearing behavior of load transferzones in precast concrete elements, especially in the context of tunnel linings, is investigated.This cumulative dissertation consists of two main parts. In Part I, „Introduction”, the problems that occur in load transfer zones in segmental tunnel linings are explained. Based on this, the objectives and the resulting research questions of this thesis are defined and specified in the next section.The fundamentals chapter deals with important aspects of the uniaxial and multiaxialcompressive strength of concrete. The multiaxial stress states are classified according to their origin and the practically relevant case of simultaneously occurring stress statesis discussed. Furthermore, the design of the longitudinal joint is considered in detail,including the historical development, the state of the art and the TU Wien reinforcementconcept. The methodology chapter provides an overview of the research methods used in this thesis. In the summary of the publications, the most important results are explained and placed in the overall context of this work. The research questions defined at the beginning are also addressed. Finally, Part I contains a conclusion based on the mostimportant findings as well as an overview of current and future research topics.Part II, „Publications”, contains the three publications that were evaluated in peerreview processes. Publication [1] identifies a research gap regarding the interaction of load distribution and transverse reinforcement in load transfer zones. To address this gap, experimental tests were carried out at the Institute of Structural Engineering at TUWien, varying parameters such as load concentration, reinforcement ratio and materialtype used to apply the concentrated load. The results confirmed the significant influence of the transverse reinforcement in combination with the effects of load distribution on the load-bearing capacity of load transfer zones. An engineering model based on mechanical considerations was developed to predict the load bearing capacity of load transfer zones more accurately. The model was verified by experimental tests and validated with datafrom literature. Existing models in the European standards neglect or in adequately represent the interaction between load distribution and transverse reinforcement. The presented model enables a more efficient design for load transfer zones of prefabricated concrete elements.Publication [2] addresses the TU Wien reinforcement concept, which uses butt-jointed longitudinal reinforcement bars for the load transfer in the joint area. The reinforcement concept was investigated using experimental tests and numerical simulations. The results of the fundamental experiments illustrate the great potential of this relatively simple structural improvement. Aspects of the practical application were also investigated. A design alternative with a gap between the end faces of the reinforcing bars was excludedon the basis of the test results. Finally, a proposal for the computational consideration of the longitudinal reinforcement is presented.Publication [3] discusses the special situation that occurs in the area of the longitudinalsegment joint by conducting large-scale tests on a scale of 1:1. Test specimens with conventional reinforcement are compared with specimens designed with the TU Wien reinforcement concept. The experimentally determined ultimate loads are compared with certain models from literature. This results in the relevance of applying the model presented in Publication [1], which is originally verified on cylindrical test specimens, to the special situation of the longitudinal segment joint. With regard to the TU Wien reinforcement concept, the results illustrate the potential for designing thinner tunnellinings or increasing their load-bearing capacity. Overall, the work contributes to improve the understanding of the load bearing behavior and the efficiency of the design of loadtransfer zones in segmental tunnel linings.