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Authors: Kobler, Martin
Title: Ein Implantat zur Einleitung konzentrierter Lasten in Bauteile aus ultra-hochfestem Beton
Other Titles: The introduction of concentrated forces into UHPC elements by the use of implants
Issue Date: 2013
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-87648
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/519
http://dx.doi.org/10.18419/opus-502
Abstract: Mit ultra-hochfestem Beton steht im Bauwesen ein Hochleistungswerkstoff zur Verfügung, dessen Druckfestigkeit im Bereich von normalfestem Baustahl liegt und der dabei nur ca. ein Drittel des spezifischen Gewichtes von Stahl aufweist. Durch den Einsatz von Stahlfasern kann bei entsprechender Konstruktionsweise auf herkömmliche Bewehrung verzichtet werden – dann sind lediglich 20 mm dicke Bauteile möglich. Wie bei nahezu allen Hochleistungswerkstoffen sind auch bei ultra-hochfestem Beton für einen wirtschaftlichen und praktikablen Einsatz geeignete Verarbeitungsprozesse und Herstellverfahren erforderlich, da gegenüber Normalbeton bei der Herstellung und Verarbeitung ein deutlich höheres Maß an Sorgfalt erforderlich ist. Dies führt fast zwangsläufig zur überwiegenden Produktion von Bauteilen im Fertigteilwerk mit anschließendem Fügen auf der Baustelle. Punktuellen Fügungen ist hierbei aus Gründen der Herstell- und Rezyklierbarkeit in der Regel der Vorzug vor den unter Kraftfluss-Aspekten günstigeren kontinuierlichen Fügungen zu geben. Dies macht neuartige Verbindungstechniken für Fertigteile notwendig, die den Anforderungen des Werkstoffes gewachsen sind. Diese punktuellen Verbindungstechniken führen letztlich immer zur Problematik der konzentrierten Lasteinleitung. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist demzufolge, konzentrierte Lasteinleitungsbereiche mittels eines integralen Lasteinleitungselements – das in Analogie zur Medizin als „Implantat“ bezeichnet wird – beherrschbar zu machen. Eine klar am Trajektorienverlauf im Lasteinleitungsbereich orientierte Implantatgeometrie nutzt neben der Minimierung von Gefügestörungen im UHPC-Bauteil bei gleichzeitiger Maximierung der Kontaktfläche auch die Lasteinleitung längs der Kraftrichtung als positiven Effekt. Den mit Abstand günstigsten Einfluss auf die Tragfähigkeit eines Lasteinleitungsbereiches hat jedoch die Vermeidung von Spannungsspitzen, die eine gleichmäßige und damit zugleich maximale Werkstoffausnutzung erst ermöglicht. Durch Steifigkeitsanpassungen des Lasteinleitungselementes lassen sich hier signifikante Verbesserungen in der Spannungsverteilung erzielen. Eine Parameterstudie zu den Einflussgrößen auf die Spannungsverteilung im Lasteinleitungsbereich identifiziert die Steifigkeitsverteilung der Verzahnungsleiste als maßgebenden Einflussfaktor. Die gewünschte Homogenisierung der Beanspruchungen im Lasteinleitungsbereich lässt sich dementsprechend durch den Einsatz von Verzahnungselementen aus Titan erreichen – der hier im Vergleich zu Stahl geringere Elastizitätsmodul wirkt sich günstig auf die Beanspruchungsverteilung aus, da die Maximalwerte der Spannungsabweichungen halbiert werden und sich so die rechnerische Tragfähigkeit des Implantats erhöht. In den numerischen Untersuchungen wurden Tragfähigkeiten der 20 mm dicken UHPC-Scheiben bei konzentrierter Lasteinleitung mittels Implantaten von 689 kN bei Titan-Verzahnung und 573 kN bei Stahl-Verzahnung ermittelt – dies entspricht beachtlichen 77 % (Titan-Verzahnung) bzw. 64 % (Stahl-Verzahnung) der anhand der Druckfestigkeit des ultra-hochfesten Betons ermittelten Querschnittstragfähigkeit der Scheibe. Diese Gegenüberstellung zeigt deutlich die immens gesteigerte Leistungsfähigkeit des Implantats zur Druckkrafteinleitung gegenüber konventionellen Einbauteilen. Die umfangreichen theoretischen Untersuchungen konnten anhand von zwei Serien von Tastversuchen verifiziert werden: Die Versuchskörper erreichen bis zu 90 % der rechnerischen Traglasten und zeigen ein mit den numerischen Untersuchungen weitestgehend übereinstimmendes Last-Verformungs-Verhalten. Gegenüber einer Lasteinleitung ohne Implantat mit gleich großer Lasteinleitungsfläche und ansonsten identischen geometrischen Bedingungen (Vergleichsscheiben ohne Implantate) werden bei den Tastversuchen der ersten Serie mehr als doppelt so hohe Tragfähigkeiten von bis zu 664 kN erreicht – die im Lasteinleitungspunkt auftretende Spannung beträgt dabei 738 MPa und liegt somit deutlich über den Werkstofffestigkeiten gängiger Baustähle. Auch die in der zweiten Versuchsreihe gemessenen Spannungsverteilungen in den Versuchsscheiben stimmen in ihrem prinzipiellen Verlauf mit den numerisch ermittelten sehr gut überein. Während theoretisch bei einer konzentrierten Lasteinleitung (Einzellast) die maximale Spannungsabweichung („Spannungsspitze“) von der homogenen Spannungsverteilung bis zu 220 % beträgt, schafft das Implantat hier eine deutliche Verbesserung: die maximalen Spannungsabweichungen in den numerischen wie auch experimentellen Untersuchungen betragen nur noch unter 30 %.
The development of ultra-high performance concrete offers a variety of new possibilities. Combining the compressive strength of regular steel with only 1/3 of its specific weight, it can be considered as a very efficient lightweight material. Provided with steel fibres and accepting the disadvantage of very low tensile strength, regular reinforcement is no longer necessary; this allows very thin elements with thicknesses of only 20 mm. Due to complex mixing, concreting and sealing procedures, prefabrication is usually necessary for constant high performance. Only stationary production can make UHPC elements economic and therefore competitive. These precast elements need to be assembled to structures on-site – this leads necessarily to element connections that require special attention. There are two general ways of connecting precast elements that differ substantially from each other: continuous connections and point connections. Only point connections meet the requirements of economic production, easy handling on-site and the future necessity of deconstruction and recycling. They are easy to handle during on-site assembly but logically cause a concentration of stresses in the connection area which will govern the design of the UHPC element. In the context of the load path, continuous joints are optimal: stresses are transferred directly from one structural element to the other. But, unfortunately, it is very difficult to produce continuous joints for UHPC elements in the required homogeneous quality. For easy connections between UHPC elements, only steel mounting parts are a suitable solution. Avoiding stress concentrations and significantly reducing the resulting stress peaks by specially designed mounting parts is necessary for highly efficient and optimized UHPC structures. Only such a homogeneous distribution of stresses allows an optimal utilization of the structural components: the failure stress is reached at any point at the same time. The development of an integral element (called “implant”) for the introduction of high local loads into only 20 mm thick UHPC plates is the intention of this thesis. As failure always starts in the maximal stressed area, almost homogenous stress-fields allow the maximum utilization of the whole structural UHPC-member, thus in turn permitting efficient load-introduction. By using high strength materials with a low modulus of elasticity (like titanium) for the interlocking components, a significant homogenization of the stress distribution can be achieved: the discrepancy to the ideal homogeneous stress distribution is only half as big for interlocking components made of titanium than for those made of high strength steel. The numerical investigations result in load bearing capacities for the 20 mm thin UHPC-plates of 689 kN for implants with interlocking components made of titanium and 573 kN for implants completely made of steel. Relating to the compressive strength of the UHPC cross section the load bearing capacity is 77 % (titanium) resp. 64 % (steel); this shows the enormously improved efficiency of the implant compared to usual mounting parts. Developed by numerical, analytical and conceptual investigations, the load bearing behaviour could be finally verified by two series of experimental tests, which proved the high performance and efficiency of the load introduction: the test specimens reach almost 90 % of the maximum load calculated and the measured force-deformation behaviour also matches the numerical investigations. Compared to reference specimens without implant the specimens with implants in the first series showed the double failure load of up to 664 kN. In the point of load transmission the maximum compressive stress is 738 MPa, which is much more than the compressive strength of regular steel. A further test series with more comprehensive measuring instrumentation was carried out in order to validate the distribution and flow of forces influenced by the implant. The stress distribution measured corresponds in principle to the distribution calculated numerically. The maximum theoretical stress deviation (“stress peak”) for a single concentrated load is up to 220 % from homogenous stress distribution; by the use of implants this maximum deviation can be reduced to less than 30 % in both numerical and experimental investigations. The high concentration of stresses possible in the connection points provided with implants allow efficient structures made of thin UHPC members. Stress peaks in the area of load introduction are reduced significantly and thin elements made of UHPC can be assembled to efficient structures with a very high load bearing capacity. Accordingly, implants will allow to use the enormous potential of the high performance material UHPC.
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