Untersuchungen zum Tragverhalten von Elementdecken für

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Untersuchungen zum Tragverhalten von Elementdecken für
Untersuchungen zum Tragverhalten von Elementdecken für
Wohngebäude mit Selbstverdichtendem Beton (SVB)
Der Forschungsbericht wurde mit den Mitteln des Bundesamtes für Bauwesen und
Raumordnung gefördert.
(Aktenzeichen: Z 6 - 5.4-02.16 / II 13 – 80 01 02 - 16)
Die Verantwortung für den Inhalt des Berichtes liegt beim Autor.
Nguyen Viet Tue
Prof. Dr.-Ing. habil., Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Leipzig
Kay Wille
Dipl.-Ing., Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Leipzig
Frank Dehn
Dr.-Ing., Juniorprofessur Werkstoffe im Bauwesen, Universität Leipzig
Die Herstellung massiver Decken im Wohnungsbau mit Hilfe von Elementhohlsteinen ist vor
allem im Mittelmeerraum eine verbreitete und bewährte Baumethode. Durch das
Zusammensetzen verschiedener Beton- bzw. Stahlbetonelemente und anschließendem
Ortbetonverguss wird eine Deckenkonstruktion erstellt, die in Deutschland vorrangig in der
Sanierung und bei separaten Kleinbaustellen eingesetzt wird.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung dieses Bauverfahrens, mit dem
Schwerpunkt, durch die Kostensenkung und Verbesserung der Qualität eine größere
Akzeptanz in der Praxis zu erreichen. Das angestrebte Ziel soll durch Anwendung eines auf
das Bauverfahren angepassten selbstverdichtenden Betons verwirklicht werden, da die
Anwendung von SVB zur deutlichen Kostensenkung bezüglich der Baustelleneinrichtung und
der Logistik führen könnte.
1. Rezepturentwicklung
Selbstverdichtender Beton (SVB) im Hochbau braucht auf Grund der geringen Belastungen
im Allgemeinen nur moderate Druckfestigkeiten aufzuweisen.
Für Deckenkonstruktionen sind Betonfestigkeiten zwischen C 20/25 und C 30/37 ausreichend.
Eine hohe Druckfestigkeit wirkt sich sogar in vielen Fällen ungünstig aus. So werden
beispielsweise
infolge
der
abfließenden
Hydratationswärme
oder
klimaabhängiger
Temperaturschwankungen höhere Bewehrungsmengen zur Begrenzung der Rissweite mit
zunehmender Betonfestigkeit erforderlich. In Hinblick auf die steigenden Preise des Stahls
wird dieser Aspekt in Zukunft eine zunehmende Wichtigkeit einnehmen.
Unter der Einhaltung der geforderten Frischbetoneigenschaften nach der DAfStb SVBRichtlinie [1] der Betonzusammensetzung nach DIN 1045-2 [2] / DIN EN 206-1 [3] und
DAfStb SVB-Richtlinie [1] und der Einhaltung der baupraktisch relevanten Verarbeitungszeit
konnte im Rahmen dieser Untersuchung festgestellt werden, dass der Festigkeitsbereich
zwischen C 20/25 und C 30/37 durch die folgenden drei Maßnahmen erreicht werden kann:
-
Heraufsetzen des w/zeq-Wertes auf 0,75,
-
Herabsetzen des Zementgehaltes auf 240 kg/m3,
-
Verringern des Anteils an Portlandzementklinker im Zement.
a) Einfluss des w/z-Wertes des SVB mit SFA
b) Einfluss des Zusatzstoffs
Abbildung 1: Einfluss zweier Parameter auf die Würfeldruckfestigkeit des SVB
Der wegen des angestrebten Festigkeitsniveaus erforderliche hohe w/z-Wert beeinflusste die
Kornstabilität negativ. Durch die Zugabe von Betonzusatzstoffen, wie Kalksteinmehl (KSM)
und Steinkohlenflugasche (SFA), die ein hohes Wasserbindevermögen besitzen, konnte eine
zufrieden stellende Suspension hergestellt werden. Im Zuge der SVB-Entwicklung konnten
zwei für das Deckensystem hin optimierte SVB-Rezepturen entwickelt werden, die unter
nahezu baupraktischen Bedingungen im Betonwerk gemischt und zum Einsatzort transportiert
wurden.
Abbildung 2 zeigt die drei eingesetzten Betone. Der Normalbeton wurde zum Vergleich des
Einbauvorgangs und des Tragverhaltens des Deckensystems zwischen SVB und Rüttelbeton
mit in das Versuchsprogramm aufgenommen.
a) Normalbeton
b) SVB mit KSM/SFA
c) SVB mit SFA
Abbildung 2: Ausbreitmaß der eingesetzten Betone
Der SVB mit niedriger Druckfestigkeit konnte unter Einhaltung der Anforderungen
entwickelt werden. Eine Überführung hin zur Zulassung bedarf allerdings intensiverer
Prüfungen und weitergehender Untersuchungen.
2. Elementhohlsteindecke - Aufbau und Tragverhalten
Aufbau Die Hohlsteinelementdecke besteht im Wesentlichen aus 4 Komponenten, den
Gitterträgern, den Hohlsteinelementen, dem Aufbeton und der gegebenenfalls erforderlichen
zusätzlichen Bewehrung (vgl. Abb. 3).
Abbildung 3: Querschnitt des Deckenversuchskörpers (KAISER-OMNIA-Decke 15+5
Während der Betonage der Versuchskörper umschloss der für dieses Bauverfahren optimierte
SVB sicher die Bewehrung und füllte die Hohlräume vollständig aus. In den
volumenintensiven Bereichen der Gitterträger floss der SVB schneller als auf den
Zwischenbauteilen, die vor dem Betoniervorgang vorgenässt wurden.
Abbildung 4: Deckensystem vor, während und nach der Betonage mit SVB
Trotz der hohen Fließfähigkeit konnte kein Fließen des SVB durch die Elementhohlsteinfugen
zur Deckenunterseite beobachtet werden.
Der Aufbeton aus SVB wirkt mit den Hohlsteinelementen und den
Tragverhalten
vorgefertigten Gitterträgern nach Erhärtung zusammen ein. Das Tagverhalten ändert sich
somit vom Bau- zum Endzustand.
In Querrichtung werden im Bauzustand die Lasten aus Eigengewicht und Verkehr über die
Biegtragwirkung des Hohlsteinelements zu den Gitterträgern weitergeleitet. Unter Annahme
eines linearen Verhaltens wurden verschiedene FE-Rechnungen durchgeführt, um das
Tragverhalten in Quer- und Längsrichtung konkretisieren zu können (vgl. Abb. 5).
a) Mittige Belastung des hohlen Steins
b) Mittige Belastung des Verbunds Stein-Beton
c) entkoppelter GT unter Gleichflächenlast
d) gekoppelte GT - Gleichflächenlast
Abbildung 5: Darstellung des Quer- und Längstragverhaltens im Zustand I}
Abbildung 5a zeigt die Spannungsverteilung im Betonstein, der durch eine mittige
konzentrierte
Last
beansprucht
wurde.
Neben
dem
Lasteinleitungsbereich
sind
Spannungskonzentrationen vor allem im Bereich der Aussparungen zu erkennen. Durch das
Zusammenwirken mit dem Aufbeton kann ein Druckbogen entstehen, der zu einer deutlichen
Tragfähigkeitssteigerung in Querrichtung führt (vgl. Abb. 5b)
Im Endzustand kann das Tragverhalten der Decken dem des Plattenbalkens gleich gesetzt
werden. In Abbildung 5c und 5d ist das Spannungs- und Verformungsverhalten des
entkoppelten mittleren Plattenbalkens und des gesamten Deckensystems zu sehen.
3. Versuchsdurchführung und Auswertung
Zur Untersuchung des Trag- und Verformungsverhaltens wurden Versuchskörper gemäß der
Abbildung 3 hergestellt, die in einem Vierpunkt-Biegversuch bis zum Bruch belastet wurden.
In Tabelle 2 sind die drei Großversuche an Ausschnitten des zu untersuchenden
Deckensystems in einer Kurzübersicht dargestellt.
Tabelle 2: Übersicht der Deckenversuchskörper
Nr.
Lasteinleitung
Ortbeton
Verdichtung
1
Linienlast
NB
Innenrüttler
2
Linienlast
SVB mit KSM/SFA
selbstverdichtend
3
Einzel- / Linienlast
SVB mit SFA
selbstverdichtend
Neben der Traglast wurden die Betonstauchung und die Stahldehnung aufgezeichnet, die
Durchbiegung an einzelnen Punkten erfasst und die Rissbildung zu verschiedenen Laststufen
verfolgt. Durch eine Traversenkonstruktion konnte sichergestellt werden, dass die
aufgebrachte Last gleichmäßig über die Deckenbreite verteilt wurde (vgl. Abb. 6).
Abbildung 6: Versuchsbeginn (li), Versuchsende (m, re)
Der Versuch erfolgte weggesteuert, um das Trag- und Verformungsverhalten der
Deckenkonstruktion zielsicher verfolgen zu können. Abbildung 7a zeigt exemplarisch den
Verlauf des Maschinenwegs in Abhängigkeit der Zeit des Versuchs 2 und verdeutlicht damit
die Haltepunkte und die Verformungsgeschwindigkeit. Die Abbildung 7b zeigt, die
Beziehung zwischen aufgebrachter Last und Durchbiegung in Feldmitte. Zu Beginn jeder
Laststufe ist ein Lastabfall zu erkennen. Dieser ist abhängig von der Haltedauer und vom
vorherrschenden Belastungsniveau und wird auf das Kriechen des Betons zurückgeführt.
Abbildung 7: Darstellung des Versuchsverlaufs V2
Das Belastungs-Verformungsverhalten der drei Decken ist nahezu identisch.
Die Plastizierung des Betonstahls wurde bei
einer Deckenmittendurchbiegung von ca.
35 mm erreicht. Anschließend folgte eine
intensive
Verformungszunahme
geringer
Laststeigerung.
bei
Alle
nur
drei
Versuchskörper versagten sehr duktil. Eine
höhere Betondruckfestigkeit würde in diesem
Abbildung 8: Vgl. V1-V2-V3
Fall
nicht
zu
einer
nennenswerten
Tragfähigkeitserhöhung führen.
Ein ausgeprägter Zustand I ist bei allen drei Versuchen nicht zu erkennen. Dies ist auf die
Rissbildung in den Gitterträgern vor dem Einbau zurückzuführen.
Die Rissentwicklung an der Außenseite der
Randgitterträger
verdeutlicht
die
sukzessive Einschnürung der Druckzone
bei
zunehmender
Belastung
und
Durchbiegung.
Ein typisches Biegeversagen mit frühzeitiger Vorankündigung liegt vor (vgl. exemplarisch
Abb. 10). Die Tragreserve der Bewehrung kann ausgenutzt werden. Die Festigkeit des Betons
ist ausreichend.
a) Rissentwicklung Ostseite, Versuch 2
b) Rissbildung Unterseite GT, Laststufe k
Abbildung 10: Rissentwicklung beim Versuch 2
5. Zusammenfassung / Ausblick
Im Zuge dieses Forschungsvorhabens wurde ein SVB auf empirischer Weise entwickelt, der
auf das Bauverfahren abgestimmt und optimiert wurde. Dabei wurde die Normung wie
DIN 1045-2 [2] / DIN EN 206-1 [3] und DAfStb SVB-Richtlinie [1] berücksichtigt und der
direkte baupraktische Bezug durch die Herstellung im Betonwerk und durch den Transport
zum Einsatzort bewahrt.
Der äquivalente Wasser-Zement-Wert betrug 0,75. Die höchstzulässige Grenze zur
Einhaltung der Anforderungen an die Betonzusammensetzung nach der geforderten
Expositionsklasse XC1 wurde damit ausgenutzt.
Es konnte gezeigt werden, dass der SVB als Ortbetonergänzung für das Bauverfahren sehr gut
geeignet ist. Die angestrebte Steigerung der Betonqualität und Verminderung des
Arbeitsaufwands beim Einbringen des Betons bestätigten sich bei den durchgeführten
Betonagen der Deckenversuchskörper.
Im Vierpunkt-Biegeversuch zeigten alle drei Deckenversuchskörper ein ausgeprägtes
Verformungsvermögen. Das Tragverhalten der Deckenkörper mit SVB war fast identisch mit
dem der Decke aus Normalbeton.
Einige FE-Simulationen verdeutlichten den Spannungsverlauf im Elementhohlstein mit und
ohne Ortbetonergänzung. Die punktförmige Belastung des dritten Deckenköpers zwischen
den Gitterträgern bestätigte die ausreichende Tragkapazität in Querrichtung.
Sowohl unter der punktförmigen, als auch unter der linienförmigen Belastung im Vier-PunktBiegeversuch zeigte das Deckensystem eine hohe Tragfähigkeit und ein ausgeprägtes
Verformungsvermögen. Der Einsatz des Deckensystems mit SVB als Ortbetonergänzung im
Wohnungsbau zeigt durch diese Untersuchungen technische Vorteile.
Um die Wirtschaftlichkeit des Bauverfahrens mit Normalbeton zur Decke mit SVB
abschätzen zu können, wurde eine Kostenanalyse erstellt. Dabei wurden die Materialkosten
und Aufwandswerte zur Herstellung von drei Deckenebenen zu je 100 m2 zusammengestellt.
Im Gesamtergebnis lagen die Kosten der Erstellung der Decke mit SVB unter denen, wenn
die Decke mit Normalbeton ausgeführt werden würde.
Im Zuge der Konzipierung und Auswertung der durchgeführten Versuche zeigte sich, dass das
Deckensystem
hinsichtlich
der
Tragfähigkeit
und
damit
auch
hinsichtlich
der
Wirtschaftlichkeit optimiert werden könnte.
Literatur
[1]
Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: DAfStb-Richtlinie Selbstverdichtender Beton
(SVB-Richtlinie).
Ergänzungen
und
Änderungen
zu
DIN 1045-2:2001
und
DIN EN 206-1:2001 sowie DIN 1045-3:2001. 11. Entwurf Juli 2003
[2]
DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Beton - Festlegung,
Eigenschaften, Herstellung und Konformität. Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1.
Ausgabe Juli 2001
[3]
DIN EN 206-1: Beton. Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität.
Ausgabe Juli 2001
[4]
DIN 1045-3: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Bauausführung.
Ausgabe Juli 2001
[5]
Plümecke: Preisermittlung für Bauarbeiten, 25. Auflage, R. Müller Verlag 2004
[6]
DIN10451 DIN 1045-1: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton.
Bemessung und Konstruktion. Ausgabe Juli 2001