Konstruktiver Makroglasfaserbeton für Bodenplatten und Industrieböden

Im konstruktiven Betonbau haben sich Kurzfasern in Form von Makrofasern zur isotropen Verstärkung vorwiegend statisch unbestimmter Bauteile etabliert. Diese Fasern werden dem Frischbeton konventionell beigemischt und verleihen dem Festbeton bei üblichen Fasergehalten von etwa 1 Vol.-% die Eigenschaft, auch nach erfolgter Rissbildung einen gewissen Grad an Zugspannungen im Riss übertragen zu können. Die dabei übertragbaren Spannungen nehmen in der Regel mit zunehmender Rissweite ab. Das Hauptanwendungsgebiet stellen daher Bodenplatten und Industrieböden dar, deren Systemtragfähigkeit aufgrund ihrer hohen statischen Unbestimmtheit nicht auf die Querschnittstragfähigkeit begrenzt ist. Da die Tragwerk-Baugrund-Interaktion ein komplexer Prozess ist, gestaltet sich eine Aussage zu den Mindestanforderungen an das Entfestigungsverhalten konstruktiver Faserbetone zur Gewährleistung eines duktilen und überkritischen Systemtragverhaltens schwierig. Die Regelungen zur Akzeptanz und zum Einsatz von Faserprodukten für konstruktive Betonbauteile sind zudem insbesondere im deutschsprachigen Raum durch präskriptive Vorgaben wie in der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ auf die Anwendung von Stahlfasern begrenzt. International können dagegen durch leistungsbezogene Normen, wie dem fib Model Code 2010, auch andere Fasermaterialien eingesetzt werden, sofern diese mit der Betonmatrix verträglich sind. Kurzfasern aus Glas dürfen im konstruktiven Betonbau momentan nicht auf die Tragfähigkeit von Bauteilen angerechnet werden. Insbesondere längere Makroglasfasern erscheinen aber als geeignet, Spannungen auch bei größeren Rissöffnungen übertragen zu können und insbesondere Betonbodenplatten eine höhere Tragfähigkeit und Duktilität zu verleihen. In dieser Arbeit wurde die Verwendung von Makroglasfasern mit einer Länge von 36 mm im Kontext ihrer Leistungsfähigkeit auf Material- und Bauteilebene untersucht. Auf Basis von Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuchen wurden Finite-Elemente-Modelle entwickelt und die Leistungsfähigkeit der Faserbetone auf Materialebene durch inverse Analysen bestimmt. Zusätzlich wurde ein eigener Ansatz für dieses Vorgehen entwickelt, mit dem einige der in den Regelwerken verankerten Parameter hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für Makroglasfaserbeton neu kalibriert wurden. Durch experimentelle und numerische Versuche an Decken- und Bodenplatten wurde das Materialverhalten des Makroglasfaserbetons auf Bauteilebene untersucht. Die im Vorfeld ermittelten Materialkennwerte bildeten die Eingangswerte für die Simulation der Bauteilversuche. Abschließend verdeutlichte eine Parameterstudie den Einfluss der Leistungsfähigkeit des Faserbetons und der Bodensteifigkeit auf die Tragfähigkeit von Bodenplatten. Insgesamt soll diese Arbeit einen wissenschaftlichen Beitrag zur Verwendung und statischen Anrechenbarkeit von Makroglasfasern in Konstruktionsbeton und seiner Anwendung in Bodenplatten leisten. Im Ergebnis ist festzuhalten, dass Makroglasfaserbeton innerhalb der untersuchten Fasergehalte ein dehnungsentfestigendes Materialverhalten aufweist. Die normativ verankerten Beiwerte für die Umrechnung der Nachrissbiegezugfestigkeit in die Nachrisszugfestigkeit sind teilweise zu hoch angesetzt, und die rechnerische Bruchdehnung sollte auf 18 ‰ begrenzt werden. Die Untersuchungen an Bodenplatten zeigen, dass selbst Faserbetone mit geringer Nachrisszugfestigkeit im Bereich größerer Rissweiten, eine deutliche Traglaststeigerungen nach Erstrissbildung im Bauteil erzeugen können. Erst ab einer Rissweite von etwa 0,4 mm bieten duktilere Fasern wie Kunststoff- oder Stahlfasern Vorteile. Bei der Herstellung von Makroglasfaserbeton ist besonderes Augenmerk auf den Mischvorgang zu legen. Mit zunehmender Mischzeit werden die Fasern aufgrund ihres grundsätzlich spröden Materialverhaltens und ihrer Zusammensetzung aus Einzelfilamenten geschädigt. Die Wahl des Betonmischers kann einen Unterschied von einer Leistungsklasse bedingen, weshalb die Leistungsfähigkeit von Makroglasfaserbeton immer an Prüfkörpern aus dem zum Einsatz kommenden Betonmischers erfolgen sollte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kurzzeitige Belastungen an Bodenplatten unter mittiger Lasteinleitung untersucht. Andere Belastungsszenarien sollten gesondert betrachtet werden. Die Überführung der Ergebnisse der untersuchten Bodenplatten in ein Berechnungsmodell für beliebige Plattengeometrien und Bodeneigenschaften stellt eine sinnvolle Verwertung der Forschungsergebnisse dar.:Vorwort Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Kurzfassung Abstract Inhalt 1 Einleitung 1.1 Problem- und Zielstellung 1.2 Thematische Abgrenzung 1.3 Aufbau der Arbeit, Methodik 2 Grundlagen Faserbeton 2.1 Allgemeines 2.1.1 Faserwerkstoffe 2.1.2 Faserformen 2.1.3 Betonmatrix 2.2 Tragverhalten von Faserbeton 2.3 Grundlagen der Bruchmechanik von Faserbeton 2.3.1 Rissbildungsmodelle 2.3.2 Betrachtungen zur charakteristischen Länge 2.4 Ermittlung der Leistungsfähigkeit von Faserbeton 2.4.1 Allgemeine Prüfverfahren 2.4.2 Drei-Punkt-Biegezugversuch nach DIN EN 14651 und fib Model Code 2010 2.4.3 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach fib Model Code 2010 2.4.4 Vier-Punkt-Biegezugversuch nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 2.4.5 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 3 Konstruktiver Makroglasfaserbeton 4 Bodenplatten aus Faserbeton 4.1 Allgemeines 4.2 Bodeneigenschaften 4.2.1 Allgemeines 4.2.2 Elastizitätsmodul 4.2.3 Dynamischer Verformungsmodul 4.2.4 Bettungsmodul 4.2.5 Spannungen im Boden 4.2.5.1 Verfahren nach STEINBRENNER 4.2.5.2 Fließkriterium nach DRUCKER-PRAGER 4.3 Interaktion von Baugrund und Gründung 4.3.1 Phasen der Traglastentwicklung von Betonbodenplatten 4.3.2 Bodenmodelle 4.3.3 Ansätze zur Ermittlung der Tragfähigkeit von Bodenplatten 4.4 Eigener Ansatz 5 Beschreibung der experimentellen Untersuchungen 5.1 Übersicht zum Versuchsprogramm 5.2 Entwickelte Makroglasfaserbetonmischungen 5.2.1 Mischungskonzeption 5.2.2 Verwendete Makroglasfasern 5.2.3 Anforderungen an die Frischbetoneigenschaften 5.2.3.1 Verarbeitbarkeit 5.2.3.2 Luftporengehalt 5.3 Versuche an kleinformatigen Prüfkörpern 5.3.1 Übersicht 5.3.2 Druckfestigkeit 5.3.3 Elastizitätsmodul 5.3.4 Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuche an Biegebalken 5.3.5 Dauerhaftigkeit 5.3.5.1 Allgemein 5.3.5.2 Alkalität 5.3.5.3 Frost-Tausalzbeständigkeit 5.3.5.4 Mechanischer Abrieb 5.3.5.5 Wassereindringwiderstand 5.3.6 Untersuchungen zu Faserverteilung und Fasergehalt 5.3.7 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 5.3.7.1 Einfluss der Mischzeit 5.3.7.2 Einfluss des Transportvorgangs 5.4 Bauteilversuche 5.4.1 Übersicht 5.4.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 5.4.2.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.2.2 Versuchsaufbau 5.4.2.3 Versuchsablauf 5.4.3 Flächig gelagerte Platten 5.4.3.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.3.2 Versuchsaufbau 5.4.3.3 Versuchsablauf 6 Auswertung der experimentellen Untersuchungen 6.1 Frisch- und Festbetoneigenschaften der untersuchten Makroglasfaserbetone 6.1.1 Frischbetoneigenschaften 6.1.2 Grundlegende Festbetoneigenschaften 6.1.3 Residuales Biegetragverhalten 6.1.3.1 Übersicht 6.1.3.2 Drei-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.3 Vier-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.4 Zusammenfassung und Vergleich der Biegeversuche 6.1.3.5 Einfluss des Mischertyps 6.1.4 Dauerhaftigkeit 6.1.4.1 Alkalität 6.1.4.2 Frost-Tauwechselbeständigkeit 6.1.4.3 Mechanischer Abrieb 6.1.4.4 Wassereindringwiderstand 6.1.5 Faserverteilung 6.1.5.1 Übersicht 6.1.5.2 Faserverteilung im Frischbeton 6.1.5.3 Faserverteilung im Festbeton 6.1.6 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 6.1.6.1 Einfluss der Mischzeit 6.1.6.2 Einfluss der Transportzeit 6.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 6.2.1 Zielstellung 6.2.2 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Serien 6.2.3 Verformungsfiguren und Rissbilder 6.3 Flächig gelagerte Platten 6.3.1 Zielstellung 6.3.2 Eigenschaften des Untergrundes 6.3.3 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Bewehrungsvarianten 6.3.4 Verformungsfiguren und Rissbilder 7 Numerische Simulation 7.1 Übersicht 7.2 Numerische Analyse des Entfestigungsverhaltens von Biegebalken 7.2.1 Überblick 7.2.2 Inverse Analyse der Biegebalken mit CONSOFT 7.2.3 Inverse Analyse der Biegebalken mit ATENA 7.2.4 Eigene Inverse Analyse auf Grundlage normativer Ansätze 7.3 Nachrechnung der Untersuchungen an Bodenplatten 7.3.1 Zielstellung 7.3.2 Aufbau des FE-Modells 7.3.2.1 Geometrisches Modell 7.3.2.2 Materialparameter 7.3.2.3 Verwendete Netzparameter 7.3.2.4 Belastungen 7.3.3 Ergebnisse der FE-Simulation 8 Versuchsübergreifende Auswertung 8.1 Entfestigungsverhalten von Makroglasfaserbeton anhand von Biegeversuchen 8.1.1 Überblick 8.1.2 Kalibrierung der ?-Faktoren 8.1.2.1 Drei-Punkt-Biegezugversuch 8.1.2.2 Vier-Punkt-Biegezugversuch 8.1.3 Interpretation der ermittelten Entfestigungskurven 8.2 Einfluss ausgewählter Parameter auf das Systemtragverhalten der untersuchten Bodenplatten 8.2.1 Überblick 8.2.2 Einfluss des Nachbruchverhaltens und der Bodenart 8.2.3 Fazit 9 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A: Ergänzungen zum Stand des Wissens Dauerhaftigkeit von Glasfaserbeton Einfluss der Glaszusammensetzung Einfluss der zementösen Matrix Bodenmodelle Halbraumtheorie Plattentheorie und Bettungsmodulverfahren Steifezifferverfahren Steifemodulverfahren 3D-Halbraumverfahren Berechnungsverfahren für Bodenplatten Grundlagen der Berechnung der ungerissenen Platte Grundlagen der Berechnung der gerissenen Platte Streifenmethode Bruchlinientheorie Analytischer Ansatz nach LANZONI ET AL. Modelle auf Basis numerischer Verfahren Modell von SHENTU ET AL. Modell von GOSSLA ET AL. Modelle auf Basis der nichtlinearen Bruchmechanik Modell nach BARROS und FIGUEIRAS Modell nach PLIZZARI ET AL. Anhang B: Betonzusammensetzung Betonmischungen Datenblätter Flugasche Betonzusatzmittel Festigkeiten Anhang C: Biegezugversuche Aufbereitung der Versuchsdaten Prüfprotokolle der Biegezugversuche Anhang D: Liniengelagerte Platten Vorbetrachtungen Zeichnungen Versuchsbegleitende Messungen Modifizierung der gemessenen Last-Verformungs-Kurven Bauteilverformungen über den Plattenquerschnitt Anhang E: Bodenplatten Bodenuntersuchungen Verformungen über die Plattendiagonale Rissbilder nach Versuchsende Anhang G: Inverse Analyse Entfestigungskurven der experimentellen und numerischen Biegezugversuche Vier-Punkt-Biegezugversuche Drei-Punkt-Biegezugversuche Anhang H: FE-Simulation der Bodenplatten Dimensionierung Einfluss des Elementtyps Netzkonfiguration Eingabewerte für die Materialmodelle Linear elastische Materialmodelle Betonmodelle Bewehrungsstahl Bodenmodelle Ergebnisse Anhang I: Parameterstudi