Experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von hochfestem Bewehrungsstahl in Stahlbetondruckgliedern

Abstract

Architektonisch gestaltete Bauwerke mit großen Gebäudeauskragungen oder mit zu rvertikalen Achse gedrehten und verschobenen Ebenen, sind eine der beliebten Formen des modernen Hochhausbaues. Zusätzlich werden große, offene Bereiche und gleichzeitig die Maximierung der Geschossflächen gefordert, welche nur mit dem Entwurf schlanker Bauteile bewerkstelligt werden können. Die lastabtragenden Bauteile, wie z.B. Stützen, müssen dadurch riesigen Lasten standhalten können und diese auch mit ausreichender Sicherheit in das Fundament weiterleiten. In der Stahlbetonbauweise können diese Anforderungen etwa mit dem Einsatz hochfester Materialien und hohen Bewehrungsgraden erreicht werden.Die aktuellen Normen decken dies jedoch nicht ab und die Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet sind noch sehr begrenzt.Diese kumulative Dissertation setzt sich aus einem einleitenden Teil und drei in Fachzeitschriften veröffentlichten Artikeln zusammen. Darin werden offene Fragestellungen beantwortet, welche für den Entwurf und die Bemessung von schlanken hochfesten Stahlbetonstützen mit großen Stabdurchmessern von großer Bedeutung sind. Das Verhalten beim Einsatz von hochfestem Bewehrungsstahl wird untersucht und auch Anschlussdetails,wie etwa die Verbindung von zwei Ortbetonstützen, aber auch die Stoßverbindungen bei Fertigteilstützen, werden experimentell getestet. Aufgrund des überzeugenden Potentials des hochfesten Bewehrungsstahls wurden weitere Einsatzmöglichkeiten gesucht und im Tunnelbau auch gefunden.Im Teil I „Einleitung“ wird der aktuelle Forschungsstand zu hochbewehrten Stahlbetonstützen mit hochfestem Bewehrungsstahl behandelt. Dabei werden zwei abgeschlossene Hochhausprojekte präsentiert, sowie die Problemstellungen bei Stützen mit hochfestem Beton und die Einschränkungen, durch die in Österreich aktuellen Bemessungsnormen, beim Einsatz von hochfestem Bewehrungsstahl aufgezeigt. Für den zweiten Einsatzbereich im Tunnelbau, werden die Vor- und Nachteile bisheriger Lösungen zur Tragfähigkeitserhöhung von Tübbinglängsfugen erläutert und eine neue patentierte Lösung präsentiert. Nach der Zusammenfassung der drei Publikationen werden im letzten Kapitel Schlussfolgerungen gezogen, welche den wissenschaftlichen Beitrag der Dissertation aufzeigen und es wird ein Ausblick auf weitere notwendige Forschungsarbeiten in diesem Gebiet präsentiert. Teil II „Publikationen“ zeigt die drei zugrunde liegenden Veröffentlichungen in der originalen Formatierung des jeweiligen Verlags. Im ersten Aufsatz mit dem Titel „Stumpfgestoßene Betonfertigteilstützen mit großen Stabdurchmessern aus hochfestem Bewehrungsstahl“ [1] wird der Einsatz von hochfestem Bewehrungsstahl in Druckgliedern präsentiert und die Problemstellungen bei der Stoßverbindung von Fertigteilstützen werden aufgezeigt.Neben der Vorstellung bisheriger Untersuchungen, werden die eigens durchgeführten experimentellen Untersuchungen an hochfesten Stahlbetonstützen mit hochfestem Bewehrungsstahl und deren Ergebnisse präsentiert. Der Fokus der beiden Versuchsserien lag auf der Bestimmung des Einflusses der Diskontinuitätsstelle auf die Tragfähigkeit, wobei verschiedene Stoßausführungen getestet wurden. Am Ende der ersten Publikation werden die durchgeführten Versuche mit verschiedenen Berechnungsmethoden nachgerechnet unddie Ergebnisse daraus gegenüber gestellt.In der zweiten Publikation mit dem Titel „Frühzeitiges Versagen bei hochfesten Stahlbetonstützen mit großen Stabdurchmessern “ [2] erfolgt, aufgrund der in [1] gewonnenen Ergebnisse, die Einleitung mit einer Literaturrecherche zum frühzeitigen Versagen von Stahlbetonstützen mit hochfestem Beton. Weiters werden die derzeitigen Einschränkungen beim Entwurf von Stützen mit großen Stabdurchmessern, aufgrund der in Österreich aktuellen Normen, aufgezeigt. Die daraus entstehenden Fragen sollen mit umfangreichen experimentellen Untersuchungen beantwortet werden. Auf der Basis von zwei Versuchsserien konnten Fragen zum Einsatz bei großen Stabdurchmessern, zur Stärke der Betondeckung und zur Stoßausführung bei Ortbeton- und Fertigteilstützen beantwortet werden. Weiters wurde ein neuer Bemessungsansatz zur Berechnung von Stahlbetonstützen mit hochfestem Beton und großen Stabdurchmessern entwickelt, sowie ein Ausblick zu weiteren notwendigen Forschungsarbeiten präsentiert.Weitere Einsatzmöglichkeiten des hochfesten Bewehrungsstahl in Druckgliedern werden in der dritten Publikation „Longitudinal joints of tubbings with newly designed high-strengthreinforcement “ [3] behandelt. Im Tunnelbau werden mehrere Tübbinge in einem Tübbingringstumpf aneinander gestoßen, ähnlich wie beim Stumpfstoß von Fertigteilstützen. In Tübbing-Längsfugen ist die Tragfähigkeit wegen der geringeren Fläche kleiner als in den mittleren Bereichen des Tübbings. Ein neu entwickelter und zum Patent angemeldeter Tübbing wird im ersten Teil des Aufsatzes präsentiert, mit welchem die Tragfähigkeitsverluste kompensiert werden können. Mithilfe großmaßstäblicher Bauteilversuche wird die Idee experimentell untersucht und mit einer herkömmlichen Ausführungsvariante verglichen.Am Ende der dritten Publikation erfolgt die Versuchsnachrechnung mit den Regeln nach Norm und die Einführung eines zusätzlichen Terms zur Berechnung des neu entwickeltenTübbings.

Architecturally designed buildings with large cantilevers or with levels rotated and shiftedwith respect to the vertical axis are one of the popular forms of modern high-rise constructions.In addition, large open areas and the maximization of floor areas are required, which can only be achieved with the design of slender structural elements. The elements for load transfer, such as columns, must therefore be able to withstand enormous loads and also transfer them to the base with sufficient safety. In the reinforced concrete constructionmethod, these requirements can be reached with the use of high-strength materials and high degrees of reinforcement. However, current standards do not include this and research in this area is still very limited.This cumulative dissertation is composed of an introductory part and three articles published in scientific journals. It answers open questions that are of great importance for the design and calculation of high-strength reinforced concrete columns with large bar diameters. The behavior when using high-strength reinforcing steel is examined and connection details, such as the connection of two in-situ concrete columns, but also the butt joints of precast columns, are tested experimentally. Due to the convincing potential of the high-strength reinforcement steel, further possible applications were sought and also found in tunnel construction.In Part I „Introduction“ the current state of research on highly reinforced concrete columns with high-strength reinforcing steel is discussed. Two completed high-rise projects are presented, as well as the problems associated by columns with high-strength concrete and the restrictions imposed by the current design standard in Austria on the use of high-strength reinforcing steel. For the second area of application in tunnel construction,the advantages and disadvantages of previous solutions for increasing the load-bearing capacitiy of the longitudinal joints are explained and a new patented solution is presented.After summarizing the three publications, conlusions are drawn in the last chapter thats how the scientific contribution of the dissertation, An outlook on further necessary researchwork is presented.Part II „Publications“ shows the three papers on which the thesis is based in their original formatting of the respective publisher. In the first paper with the title „Butt jointed precast columns with high-strength reinforcement and large bar diameters “ [1] the use of high-strength reinforcing steel in compression members is presented and the problems encountered of the butt joint connection of precast columns are highlighted. In addition to the presentation of previous investigations, the specially conducted experimental investigations on high-strength reinforced conrete columns with high-strength reinforcing steel and their results are presented. The focus of the two test series was to determine the influence of the discontinuity of the columns on the load-bearing capacity, testing different joint designs. At the end of the first publication, the tests carried out are recalculated using various calculation methods and the results are compared.In the second publication with the title „Early failure of high-strength concrete columns with large bar diameters “ [2] the introduction starts with a literature review on the early failure of reinforced concrete columns with high-strength concrete. Furthermore,the current limitations in the design of columns with large bar diameters, due to the current standards in Austria, are highlighted. The resulting questions are to be answered with extensive experimental investigations. From two series of experiments, questions concerning the use of large bar diameters, the thickness of the concrete cover and the joint design for in-situ columns and precast columns could be answered. Furthermore, a new design approach for the calculation of reinforced concrete columns with high-strength concrete and large bar diameters is developed, and an outlook on further necessary researchwork is presented.Further applications of high-strength reinforcing steel in compression members are discussed with the third publication „Longitudinal joints of tubbings with newly designed high-strength reinforcement “ [3]. In the tubbing ring, the tubbings are connected by butt joints, silimar to the butt joint of precast columns. In rings of tunnel segments the load carrying capacity in the longitudinal joints is smaller than in the tubbings. A newly developed and patent pending tubbing segment is presented in the first part of the paper, which can be used to compensate for the loss of load-bearing capacity. With the aid of large-scale compressive tests, the idea is investigated experimentally and compared with a conventional design variant. At the end of the third publication, the experimental recalculation is carried out using the rules according to the standard and an additional term is introduced for the calculation of the newly developed tubbing.