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Großformatige Sandwichelemente mit Deckschichten aus TextilbetonAnn-Christine von der HeidReiner GrebeNorbert WillJosef Hegger
7114. JahrgangJuli 2019, S. 476–484ISSN 0005-9900
Sonderdruck
Beton- undStahlbetonbau
© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019), Heft 7, S. 476–484 3
DOI: 10.1002/best.201900021 FACH
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FACHTHEMAAnn-Christine von der Heid, Reiner Grebe, Norbert Will, Josef Hegger
Großformatige Sandwichelemente mit Deckschichten aus TextilbetonUntersuchungen an Sandwichplattenstreifen
1 Einleitung
Stahlbeton ist aufgrund von hoher Wirtschaftlichkeit und leichter Anwendbarkeit mengenmäßig der wichtigste Baustoff. Durch die im Eurocode 2 [1] vorgegebenen Mindestbetondeckungen, insbesondere für Außenbauteile, können jedoch keine filigranen Querschnitte hergestellt werden. Wird die Betondeckung des Bewehrungsstahls zu gering gewählt oder nicht fachgerecht ausgeführt, kann der pHWert der schützenden Betonschicht auf Höhe der Bewehrung innerhalb der Nutzungsdauer so weit herabgesetzt werden, dass eine Korrosion des Bewehrungsstahls ermöglicht wird. Für Sandwichfassaden ergeben sich durch die erforderliche Betondeckung für nichttragende Deckschichten Stärken von ca. 80–100 mm [2]. Für dünnere Deckschichten ist der innovative Verbundwerkstoff Textilbeton prädestiniert, der keine Mindestbetondeckung für den Korrosionsschutz einhalten muss. Die erforderliche Betondeckung ergibt sich allein aus der Kraftübertragung zwischen Textil und Beton. Es können somit filigrane Bauteile mit geringen Betonüberdeckungen ausgeführt werden. Das hohe Potenzial der Textilbetonweise wurde bereits in zahlreichen erfolgreich umgesetzten Forschungs und Praxisprojekten aufgezeigt [3–13].
Der Einsatz von Textilbeton in Deckschichten von Sandwichelementen bringt wirtschaftliche und ökologische Vorteile mit sich. Beispielsweise verringert sich die Menge des benötigten Betons für eine Deckschicht um ca. 70 %. Weiterhin vermindern die eingesetzten Textilbetondeck
schichten die Gesamtdicke der Sandwichbauteile, sodass bei gleichbleibender Gebäudekubatur eine größere vermietbare Nutzfläche im Vergleich zu herkömmlichen Sandwichelementen aus Stahlbeton zur Verfügung steht.
Für vorgehängte Sandwichelemente mit zwei 30 mm dünnen Deckschichten aus Textilbeton gibt es bisher keine bauaufsichtlich zugelassenen Bemessungsregeln oder Normen. Die Machbarkeit und Leistungsfähigkeit der Ele mente muss daher mit Versuchen belegt werden. Im Zuge eines Forschungsvorhabens der Initiative Zukunft Bau des BBSR (SWD10.08.18.714.09) wurden Klein und Großkörperversuche durchgeführt. Die Ergebnisse der Großkörperversuche sowie deren Konzeption und Herstellung im Fertigteilwerk des Industriepartners, der Hering Bau GmbH & Co. KG, werden im vorliegenden Beitrag vorgestellt.
2 Entwickeltes Element2.1 Elementaufbau
Die Grundidee für ein selbstragendes, schlankes und leistungsfähiges Sandwichelement besteht darin, die dicken Stahlbetonschalen durch dünne Textilbetonschalen zu ersetzen (Bild 1). Für die beiden Textilbetonschalen wurde aufgrund von vorangegangenen Kleinkörperversuchen und langjähriger Erfahrung am Institut für Massivbau eine Dicke von 30 mm festgelegt [14, 15]. Die Betonüberdeckung der zentrisch in der Schale verlegten Textilien ist
In den vergangenen Jahren wurden in Deutschland die energetischen Anforderungen an die Gebäudehüllen sukzessive verschärft. Für konventionell errichtete Gebäude mit kerngedämmten Sandwichelementen mit Deckschichten aus Stahlbeton bedeutet dies eine kontinuierliche Vergrößerung der Außenwandstärken. Um auch in Zukunft nicht auf die wirtschaftliche Sandwichbauweise verzichten zu müssen, wurden im Zuge eines Forschungsvorhabens großformatige, leichte und energieeffiziente Elemente entwickelt. Das Untersuchungsziel war die praxistaugliche Herstellung von schlanken, großformatigen Sandwichelementen, deren Deckschichten aus 30 mm dünnen Textilbetonschalen bestehen. Dieser innovative Verbundwerkstoff ermöglicht schlanke Bauteile mit gleichzeitig hoher Tragfähigkeit.Im vorliegenden Beitrag werden der Aufbau der Elemente, die Herstellung von großformatigen Prüfkörpern sowie erste Versuchsergebnisse präsentiert.
Large-size sandwich elements with layers made of textile reinforced concrete – Investigations on sandwich panelsIn the last years, the energy requirements imposed on building envelopes became more stringent in Germany. For conventional constructed buildings with coreinsulated sandwich elements with reinforced concrete layers, this means a continuous increase in outer wall thickness due to thicker insulation. In order to be able to use the economic sandwich construction method also in the future, largeformat, lightweight and energyefficient elements were developed in the course of an research project. To achieve the research objective of producing slim, large format sandwich elements suitable for practical use, layers of 30 mm thin textile reinforced concrete were used. This innovative composite material enables components with low crosssectional thickness and high loadbearing capacity.This article presents the structure of the elements, the production of largesized test specimens and the first experimental results.
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der Dämmstoff auf der sicheren Seite als nicht tragend angesetzt, um eine freie Wahl des Dämmstoffs, von weicher Mineralwolle bis zu steifem extrudiertem PolystyrolHartschaum (XPS), zu ermöglichen. Auch ökologische Dämmstoffe wie zum Beispiel Hanf oder Wolle können dadurch verwendet werden.
2.2 Herstellungsprozess
Im Rahmen des Projekts wurden zahlreiche kleinformatige Versuchskörper, die in diesem Beitrag vorgestellten Plattenstreifen sowie ein Demonstrator mit Abmessungen von 3,0 m × 4,5 m im Fertigteilwerk der Hering Bau GmbH & Co. KG hergestellt. Der Ablauf in der Produktion eines Elements aus Textilbeton ist dabei mit einem StahlbetonSandwichelement mit horizontaler Fertigung vergleichbar. Nachfolgend wird daher vor allem auf die besonderen Herausforderungen während der Herstellung eingegangen.
Präzises Einschalen und Bewehren ist bei der Herstellung von filigranen Bauteilen von besonderer Bedeutung. Durch die geringe Dicke der Schalen kann eine Abweichung der Bewehrung von der Solllage schnell zu einer Steigerung bzw. Minderung der Tragfähigkeit führen [15]. Textilien neigen aufgrund der im Vergleich zu Frischbeton geringeren Dichte zum Aufschwimmen. Die exakte Lage der Textilien muss daher durch eine ausreichende Anzahl von nach unten und oben gerichteten Abstandhaltern sichergestellt werden. Auf das Textil abgestimmte Abstandhalter können bei den etablierten Textilherstellern mit den Textilien bestellt werden. Damit das mittig in den Deckschichten angeordnete biaxiale 2DTextil samt Abstandhaltern nicht aufschwimmt, wurden bei der Herstellung der großen Platten Traversen als Auflast installiert (Bild 2). Die linienförmigen Verbundmittel wurden an den vorgesehenen Stellen auf dem biaxialen 2DTextil positioniert und fixiert. Anschließend konnte der Beton aus einem Betonkübel mit integrierter Schnecke dosiert und gleichmäßig aufgebracht werden (Bild 3a)). Die Schnecke wirkte sich positiv auf das Fließmaß aus, da der Beton vor dem Ausbringen noch einmal leicht aufgemischt wird.
ausreichend, um die Beanspruchung bis zum Versagen ohne großflächige Abplatzungen des Betons aufnehmen zu können. Beide Betonschalen sind mit einem epoxidharzgetränkten ARGlasTextil (Materialkennwerte vgl. Abschn. 3.2) bewehrt. Die großformatigen Fassadenelemente können derzeit mit einer maximalen Breite von 6,0 m und einer Höhe von 4,0 m produziert werden. Befestigt werden die Elemente an den Geschossdecken durch Ankerpunkte. Die Grundidee stammt aus dem von der DFG geförderten Transferprojekt T07 aus dem Sonderforschungsbereich 532 [16]. Damit die dünnen Schalen die durch die Befestigungspunkte entstehenden Spannungskonzentrationen aufnehmen können, sind lokale Aufdickungen erforderlich.
Um die Sandwichtragwirkung des Elements zu aktivieren, werden die beiden Textilbetonschalen durch linienförmige Verbundmittel gekoppelt. Die Verbundmittel nehmen dabei Schubbeanspruchungen aus dem Eigengewicht der Außenschale bei Auflagerung der Innenschale, Temperaturbeanspruchungen sowie aus Biegung infolge Wind auf. Das Verbundmittel besteht aus einem linienförmigen textilen Verbundgitter, welches erstmalig in [14] untersucht und anschließend kontinuierlich weiterentwickelt wurde [16, 17]. Um die energetischen Anforderungen an die Gebäudehülle zu erfüllen, wird der Raum zwischen den Betonschalen mit Dämmstoff aufgefüllt. Wird ein druckfester Dämmstoff aus beispielsweise Polyurethan (PUR) verwendet, kann dieser zur Verbesserung der Sandwichtragwirkung beim Lastabtrag herangezogen werden. Für das hier entwickelte Sandwichelement wurde
Bild 2 Herstellung des Demonstrators (Hering Bau GmbH & Co. KG)Production of the demonstrator
Bild 1 Aufbau eines Sandwichelements mit Deckschichten aus Textilbeton: a) obere Horizontalhalterung, b) lastabtragender Befestigungspunkt untenStructure of a sandwich element with facings made of textile reinforced concrete: a) upper horizontal support, b) load bearing anchor at bottom
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Beton wurden nicht gesondert untersucht, da die geringeren Festigkeiten des Weißbetons konservative Ergebnisse liefern. Die Eigenschaften des weißen Betons sind Tab. 1 zu entnehmen. Geprüft wurden sechs 160 × 40 × 40 mm3 große Prismen nach [19] sowie jeweils mindestens drei Zylinder mit Abmessungen von 150 mm × 300 mm nach [20] und [21].
3.2 Verbundmittel und flächige Bewehrung
Eine Herausforderung bei Sandwichelementen mit zwei 30 mm dünnen Deckschichten aus Textilbeton stellt die Ausführung des Verbundmittels dar. Konventionelle Verbundmittel aus dem Stahlbetonbau können aufgrund der benötigten Einbindetiefe bei 30 mm dünnen Bauteilen nicht verwendet werden. In vorausgegangenen Forschungsvorhaben [16, 17] hatten sich „linienförmige Verbundgitter“ als am besten geeignet erwiesen. Dabei wurde ein zweidimensionales ebenes Gelege aus Carbon als Verbundmittel in die beiden Schalen eingebunden, Bild 4a). Eine lokale Aufdickung sollte hierbei die Verankerung verbessern [14]. Da sich die Aufdickungen auf den Sichtbetonflächen dunkel abzeichneten, wurde das Verbundgitter in dreidimensionaler Form hergestellt (Bild 4b)). Durch die 100 mm bzw. 200 mm langen Flansche konnte mit nur 15 mm Einbindetiefe eine ausreichende Verankerung der Verbundgitter in den beiden dünnen Betonschalen hergestellt werden. Der kurze Flansch mit 100 mm Länge ermöglicht ein einfaches Einbringen des Dämmstoffs während der Herstellung (Bild 3b)). Wie in Bild 1 zu sehen ist, werden die Rovings des Verbundgitters mit einer 45°Ausrichtung eingebaut. Dadurch können die Rovings die durch eine Scherbelastung infolge Eigengewicht und Biegung entstehenden Zugkräfte effizient in axiale Richtung abtragen.
Das Verbundgitter des Herstellers solidian GmbH wurde bereits in verschiedenen Bauprojekten [22] erfolgreich verwendet und besitzt für den Einsatz in einer Sandwichwand eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung [23]. Bisher wurde es jedoch nur in Sandwichelementen mit einer Tragschale aus Stahlbeton und einer Vorsatzschale aus 30 mm dünnem Textilbeton verwendet. Die Zulassung ist ebenfalls auf diesen Anwendungsfall beschränkt.
Für das Verbundgitter wurde wie auch für die flächige Bewehrung der Schalen das epoxidharzgetränkte ARGlasTextil solidian GRID Q121/121AAE38 [24] verwendet. Das Textil weist in Kett und Schussrichtung den gleichen
Aufgrund der linienförmigen Verbundmittel konnte der Dämmstoff ohne weitere Zuschnitte auf den verdichteten und noch feuchten Beton aufgelegt werden (Bild 3b)). Die zwischen Dämmstoff und Verbundgitter entstehenden Lücken wurden mithilfe von weichen Schaumstoffstreifen aufgefüllt, um später beim Betonieren ein Auslaufen von Betonschlempe im Bereich der Verbundgitter sicher vermeiden zu können, da dies Wärmebrücken hervorruft. Nach Einbringen des Dämmstoffs und Schließen aller Zwischenräume wurde die zweite Schale analog zur ersten Schale bewehrt und betoniert (Bild 3c)).
2.3 Oberflächenbeschaffenheit
Die großformatigen Sandwichelemente wurden während und nach der Fertigung hinsichtlich ihrer Oberflächenqualität untersucht. Nach dem Ausschalen zeichneten sich die Textilien durch dunkle Schattierungen ab. Bei der anschließenden Bearbeitung zur Erlangung einer Waschbetonoptik verlor sich dieser Effekt jedoch vollständig. Anhand von kleinen Musterplatten wurden auch die üblichen Oberflächenbearbeitungen für Architekturbeton, wie Absäuern, Polieren und Schleifen, erfolgreich getestet, ohne dass die Lage der Textilien erkennbar war. Als Resultat ist festzuhalten, dass die Ausführung glatter unbearbeiteter Oberflächen bei dünnen textilbewehrten Platten nicht empfehlenswert ist. Um eine gleichmäßige Oberfläche ohne Verfärbungen und Schattierungen infolge der textilen Bewehrung zu erhalten, sollte daher stets eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt werden.
3 Materialien3.1 Beton
Für das Forschungsvorhaben wurden drei von Hering Bau entwickelte Betonmischungen mit unterschiedlicher Farbgebung (weiß, grau, anthrazit) optimiert. Aufgrund der geringen Dicke der Sandwichschalen und des Bewehrungsrasters von etwa 40 mm wurde ein fließfähiger Beton mit einem Größtkorn von 5 mm verwendet. Die Betone sind mit der Konsistenzklasse F6 nach [18] als leicht verarbeitbare Betone (LVB) einzustufen, jedoch durch das Größtkorn von 5 mm nicht mehr als Normalbeton. Alle Versuchskörper wurden mit dem zuvor optimierten Betonentwurf mit weißer Farbgebung und der Bezeichnung LVB 11/06 hergestellt. Dieser wies, nach vorangegangenen Baustoffprüfungen, die geringsten Festigkeiten auf. Versuchskörper mit einem anthrazitfarbenen bzw. grauen
Tab. 1 Betonkennwerte nach 28 Tagen Erhärtung (Mittelwerte)Material properties of concrete after 28 days of hardening (mean values)
fcm,prism [MPa] fcm,cyl [MPa] Ecm [MPa] fctm,sp [MPa]
79 69 40.200 3,6Bild 3 Herstellungsschema: a) Betonage Schale 1; b) Einbringen Dämmstoff; c) Betonage Schale 2Manufacturing schema: a) production shell 1; b) inserting insulation; c) production shell 2
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4 Trag- und Verformungsverhalten von Sandwichplattenstreifen
4.1 Versuchsmatrix und -aufbau
Um das Trag und Verformungsverhalten der dünnen Elemente zu erforschen, wurden insgesamt sieben großformatige Sandwichplattenstreifen untersucht. Die Prüfkörper wurden alle im Fertigteilwerk unter Praxisbedingungen hergestellt und unterschieden sich in der Prüfkörperbreite, der Anzahl bzw. Anordnung der Verbundgitter und des Dämmstoffs. Die Versuchsmatrix ist in Tab. 3 abgebildet.
Der Verbundgitterabstand wurde hierbei nicht strikt auf Grundlage der zuvor durchgeführten kleinformatigen Versuchskörper berechnet. Vielmehr wurde das Augenmerk auf eine möglichst einfache, schnelle und somit praxisgerechte Fertigung gelegt. Der Abstand der Verbundmittel wurde auf die handelsübliche Breite der Dämmstoffplatten abgestimmt, sodass eine manuelle Anpassung der Platten entfallen konnte. Für die Versuchskörper wurde ein Verbundgitterabstand von 600 mm gewählt, was der Breite einer XPSDämmstoffplatte entspricht. Um den Einfluss der Verbundgitterabstände genauer untersuchen zu können, wurde ein Prüfkörper mit einem Abstand der Verbundgitter von 300 mm hergestellt.
Die hier entwickelten Sandwichelemente sollen in der Praxis maximale Abmessungen von 4,0 m Höhe und 6,0 m Breite aufweisen. Diese Abmessungen decken in Höhe und Breite im Bürobau häufig gewählte Stützenraster sowie Geschosshöhen ab. Dementsprechend ergab sich der Auflagerabstand der großformatigen Versuche infolge der maximal möglichen Geschosshöhe zu 4,0 m. Alle Probekörper wurden aufgrund der großen Spannweite in einem VierPunktBiegeversuch geprüft, dessen Aufbau und Abmessungen Bild 5 zu entnehmen sind. Während der Versuche konnten sich die Probekörper aufgrund von Rollenlagern am Auflager und an der Traverse frei verformen. Die Traverse selbst wurde nicht festgehalten, sondern lag beweglich auf dem Versuchskörper auf. Die Durchbiegung, Last, Relativverschiebung der beiden Schalen zueinander sowie die Kompression des Kernmaterials wurden mittels induktiven Wegaufnehmern kontinuierlich aufgezeichnet. Die Belastung erfolgte weggesteuert mit einer Geschwindigkeit von 3,0 mm/min.
4.2 Versagensformen
Während des Versuchs wurden die Rissbildung in den Schalen und die Versagensformen (Versagen der Verbundmittel, Deckschichtversagen, Versagen der Verbundfuge) dokumentiert. Der Erstriss trat bei allen durchgeführten Versuchen nicht im Bereich des größten Moments in Feldmitte, sondern in der Nähe der Trans portanker auf. Der Querschnitt wird durch die Anker maßgeblich geschwächt, sodass die Betonzugspannungen früher überschritten werden als im ungestörten Querschnitt in Feldmitte. Die Anker, welche mittels einer
Bewehrungsquerschnitt und Aufbau auf. Verbundgitter und Matten auf Basis des Grundmaterials Carbon sind für diesen Fall nicht erforderlich, da die Schalen im Gebrauchszustand möglichst ungerissen bleiben sollen, sodass das flächig eingebaute Textil nur gering belastet wird. Durch die Leitfähigkeit des Carbons ist eine Anwendung als Verbundgitter auch aus bauphysikalischer Sicht aufgrund entstehender Wärmebrücken weniger sinnvoll. Die Zugfestigkeiten wurden an jeweils zehn Dehnkörpern nach [15] und [25] ermittelt und können Tab. 2 entnommen werden.
3.3 Dämmstoff
Die Grundidee des Forschungsvorhabens war es, den Dämmstoff in der Tragfähigkeitsberechnung nicht anzusetzen, um möglichst frei in der Wahl des Kernmaterials zu sein. Produktions und versuchsbedingt konnten die großformatigen Versuchskörper jedoch nicht ohne die unterstützende Wirkung des Dämmstoffs hergestellt werden. Um die Tragfähigkeit durch den Dämmstoff nicht signifikant zu beeinflussen, wurde aufgrund der geringen Steifigkeit Mineralwolle verwendet. Neben den Versuchskörpern mit Mineralwolle wurden zwei ausgewählte Geometrien zusätzlich mit einem tragfähigen XPSDämmstoff mit einer Druckfestigkeit ≥ 300 kPa hergestellt. Dies ermöglicht eine erste Aussage über die Tragfähigkeit bei Verwendung von weichem und steifem Dämmstoff.
Bild 4 a) Querschnitt mit ebenem Verbundgitter, b) untersuchter Querschnitt mit dreidimensionalem Verbundgittera) Crosssection of a planar shear connector, b) Crosssection of the tested shear connector
Tab. 2 Materialkennwerte solidian GRID Q121/121AAE38Material properties solidian GRID Q121/121AAE38
Richtung Bewehrungs-querschnitt [mm2/m]
Achs- abstand Roving[mm]
E-ModulEtm [MPa]
Zugfestig-keitftm[MPa]
Kette 121 38 74.000 1.200
Schuss 121 38 74.000 1.300
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wolle war das Stabilitätsversagen an beiden Auflagern im Bereich der unteren Schale deutlich zu erkennen. Nach Überschreiten der Maximallast konnte als sekundäres Versagen ein Auszug der Verbundmittel aus der oberen Deckschicht festgestellt werden. Dies lässt sich auf die horizontale Relativverschiebung der beiden Schalen zurückführen, die durch die lokale große Durchbiegung verstärkt wird.
Bei den beiden Versuchskörpern mit XPSDämmstoff war die maßgebende Bruchursache der Auszug der Verbundgitter aus dem Beton. Angekündigt wurde das Versagen durch ein lokales Ablösen des Dämmstoffs von den Betondeckschichten etwa in den Viertelspunkten der Träger (Bild 6b). Infolge der horizontalen Relativverschiebung der beiden Deckschichten bildeten sich in dem tex
30 cm langen und 12 mm starken Gewindestange mit aufgeschraubter Hülse realisiert wurden, sind in den Viertelspunkten der Träger eingebaut.
Unabhängig von der Art des Dämmstoffs (Mineralwolle, XPS) war bei allen Versuchskörpern ein primäres und ein sekundäres Versagen zu beobachten. Weiterhin zeigten alle Körper bei Erreichen der maximalen Prüfkraft Fmax ein duktiles Verhalten, d. h. es stellte sich ein ausgeprägter Nachbruchbereich mit leicht abfallender Last ein.
Versuchskörper GK1 bis GK5 mit Mineralwolle versagten primär durch ein Stabilitätsversagen der Verbundgitter im Auflagerbereich. Dies führte zu einer ausgeprägten Kompression der weichen Mineralwolle am Auflager, vgl. linkes Auflager in Bild 6a). Nach Entnahme der Mineral
Bild 5 Aufbau und Messtechnik der VersucheTest setup and instrumentation for the experiments
Tab. 3 Parametervariation und Versuchsergebnisse der SandwichelementeParameter variation and test results of sandwich elements
Bezeichnung Typ Breite[mm]
Dicke Dämmstoff hk[mm]
Anzahl Verbundgitter[Stk]
Dämm material Kraft Fmax[kN]
Durchbiegung wmax[mm]
Versagen
GK-1 A 300 250 1 Mineralwolle 7,8 31,6 @ L/125 Verbundmittel (Stabilität)
GK-2 B 600 250 2 Mineralwolle 17,0 63,0 @ L/65 Verbundmittel (Stabilität)
GK-3 C 1200 250 2 Mineralwolle 17,1 45,9 @ L/85 Verbundmittel (Stabilität)
GK-4 D 1200 200 1 Mineralwolle 8,8 19,4 @ L/200 Verbundmittel (Stabilität)
GK-5 C 1200 200 2 Mineralwolle 19,4 24,3 @ L/160 Verbundmittel (Stabilität)
GK-6 D 1200 200 1 XPS 16,2 18,7 @ L/210 Verbundmittel (Auszug)
GK-7 C 1200 200 2 XPS 34,1 71,5 @ L/55 Verbundmittel (Auszug)
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Der Vergleich der Versuche GK2 und GK3 verdeutlicht, dass die Breite der Versuchskörper bei gleichbleibender Verbundgitteranzahl keine Auswirkung auf die maximale Prüfkraft hat, wenn das Versagen der Verbundgitter maßgebend ist. Durch eine Verdopplung der Verbundgitteranzahl wird auch die maximal aufnehmbare Kraft auf etwa das Doppelte gesteigert. Dies kann für alle vier Versuchskörper mit zwei Verbundgittern bestätigt werden. Die Prüfkörper mit einer Dämmstoffhöhe hk = 200 mm wei sen um etwa 10 % höhere Prüflasten im Vergleich zu Probekörpern mit hk = 250 mm Dämmstoffdicke auf. Die Ursache lässt sich im Versagensmechanismus der Elemente mit Mineralwolle finden. Alle Versuchskörper mit Mineralwolle versagten durch ein Stabilitätsversagen der Verbundgitter. Da die Mineralwolle keine horizontale Stützung der Verbundgitter erzeugt, beeinflusst die freie Länge bzw. Knicklänge der Gitter die Stabilität und somit die Lastaufnahme.
Der Einfluss des verwendeten Dämmstoffs auf das LastVerformungsverhalten lässt sich anhand der Versuche GK5 (Mineralwolle) und GK7 (XPS) genauer betrachten. Beide Versuchskörper sind identisch aufgebaut und unterscheiden sich lediglich durch den Dämmstoff. In Bild 8 sind die LastVerformungskurven der beiden Prüfkörper abgebildet. Die Verformung wurde in Feldmitte gemessen, da dort die maximale Durchbiegung erwartet wurde.
Die maximale Prüfkraft Fmax und die Durchbiegung wmax von Prüfkörper GK5 (Mineralwolle) liegen deutlich unter den Werten von GK7 (XPS). Grund dafür ist der im Vergleich zur Mineralwolle mit einer Druckfestigkeit von s10 = 0,5 kPa wesentlich tragfähigere Dämmstoff XPS (s10 = 300 kPa), der die beiden Deckschichten unter einer Druckbeanspruchung zuverlässig auf Abstand halten kann. Das Verbundmittel wirkt ergänzend als Zugstab, sodass die Sandwichtragwirkung der beiden im Abstand liegenden Schalen wirksam werden kann. Das Versagen der Verbundmittelverankerung wird anschließend durch die Spannungen hervorgerufen, die aus der Relativverschiebung (Dumax = 3,3 mm) zwischen der unteren und oberen Deckschicht entstehen. Diese überschreiten die Zugfestigkeit des Betons, was zu einem Ausbruchversagen der Verbundgitter führt.
tilen Verbundgitter Zug und Druckstreben aus. Nach dem Entfernen des Dämmstoffs konnte festgestellt werden, dass die druckbeanspruchten Rovings im Bereich der Auflager gebrochen waren. Eine sichtbare Schädigung der zugbeanspruchten Rovings sowie des Dämmstoffs konnte für keinen der beiden Probekörper festgestellt werden.
4.3 Versuchsergebnisse
In Tab. 3 sind die Bruchlasten und erreichten Verformungen der Sandwichplattenstreifen gegenübergestellt. Dabei entspricht Fmax der maximal aufgenommenen Gesamtbelastung und wmax der zugehörigen Durchbiegung in Feldmitte. Zum Vergleich der Versuche sind in Bild 7 die Bruchlasten in Abhängigkeit von Prüfkörpergeometrie, Verbundgitteranzahl und Dämmmaterial dargestellt.
Bild 6 Versagensbilder von Versuchskörper a) GK3 und b) GK7Failure of specimen a) GK3 and b) GK7
Bild 7 Prüfkraft in Abhängigkeit von der Prüfkörperbreite und Anzahl der VerbundgitterLoad depending on specimen width and number of shear connectors
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Trägerlänge unveränderten Kompression (Bild 9b)). Anschließend nimmt die Kompression unter der Lasteinleitung zu, wohingegen sich die Deckschichten am Auflager bei maximaler Durchbiegung voneinander entfernen. Dies führt zu dem in Abschn. 4.2 beschriebenen Ausbruch der Verbundgitter. Für den Prüfkörper mit MineralwolleDämmung (Bild 9a)) verläuft der Graph der Kernkompression umgekehrt. Unter der Lasteinleitung wird das Verbundmittel während der gesamten Belastung auf Zug beansprucht, während es am Auflager zusammengedrückt wird. Die Zugkräfte unter der Lasteinleitung entstehen durch die zuvor beschriebene stärkere Durchbiegung der unteren Deckschicht im Vergleich zur oberen.
5 Demonstrator
An einem Großmuster wurden Konstruktion, Herstellung, Transport und Montage unter Praxisbedingungen erprobt. Der Prototyp sollte in eine bestehende Werkshalle der Firma Hering Bau GmbH & Co. KG mit Befestigungspunkten nach Bild 1 eingebaut werden, um über die Projektlaufzeit hinaus Erkenntnisse zur Nutzung des Elements erlangen zu können. Die Abmessungen wurden mit 4,5 m in der Breite und 3,00 m in der Höhe durch das Gebäude vorgegeben. Das Element wurde mit einer druckfesten XPSDämmung ausgeführt und weist eine mittige Toröffnung von 2,28 m auf 2,60 m auf. Um eine ansprechende Außenfläche zu erhalten, wurde die Oberfläche in insgesamt drei Arbeitsgängen abgesäuert.
Für den Transport der Elemente wurden insgesamt vier Anker eingelassen. Jeweils zwei der Anker wurden über Stahltraversen miteinander verbunden (Bild 10). Trotz mehrfachen Anhebens und Umlagern des Elements zwecks Oberflächenbehandlung und Montage konnten keine Risse oder Beschädigungen festgestellt werden. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse wurden anhand
Die in Prüfkörper GK5 eingebauten Verbundgitter müssen aufgrund der weichen Mineralwolle neben den Zugkräften ebenso die Druckkräfte aufnehmen. Durch die geringe Knicksteifigkeit der Verbundgitter und die geringe Stützwirkung der Mineralwolle ist die Druckkraftübertragung von oberer zu unterer Deckschicht begrenzt. Die Folge ist das lokale Eindrücken des Sandwichbauteils am Auflager. Dabei verformt sich die untere Deckschicht stärker als die obere (vgl. Bild 6a)), was horizontale Relativverschiebungen in Höhe von Dumax = 19,4 mm hervorruft.
Die Kernkompressionen Dv der jeweilig rechten Hälfte der Prüfkörper sind in Bild 9 dargestellt. Das zuvor beschriebene Tragverhalten der beiden Probekörper wird hier nochmal bestätigt. Bei 25 % der Maximaldurchbiegung des Prüfkörpers mit XPSDämmstoff verformen sich die beiden Schalen gleichmäßig, zu sehen an der über die
Bild 8 LastVerformungskurven der Prüfkörper GK5 und GK7Load deflection curves of specimen GK5 and GK7
Bild 9 Kernkompression in der rechten Balkenhälfte von a) GK5 und b) GK7 in Abhängigkeit von der maximalen Durchbiegung wmaxCore compression over the right half of the beam of a) GK5 and b) GK7 depending on the maximum deflection wmax
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hohe Tragfähigkeit. In der Praxis kann somit ein beliebiger Dämmstoff zwischen die zwei Betonschalen eingebracht werden. Bei Verwendung eines drucksteifen Dämmstoffs, wie zum Beispiel XPS, wurde eine deut liche Steigerung der Sandwichtragwirkung erreicht. In den Versuchen konnte so die maximale Traglast um etwa 75 % gegenüber einem Sandwich mit Mineralwolle erhöht werden. Die Breite der Sandwichstreifen bei gleichbleibender Verbundgitteranzahl hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Tragfähigkeit, wenn das Versagen der Verbundgitter maßgebend ist. Bei einer Verdopplung der Verbundgitter erhöhte sich auch die maximale Tragfähigkeit um ca. 100 %.
Im weiteren Verlauf werden die Ergebnisse zur Kalibrierung von nichtlinearen FiniteElementeModellen herangezogen, um Parameterstudien und die Berechnung der maximalen Traglasten von zukünftigen Versuchen durchzuführen. Um die Elemente in der Praxis einsetzen zu können, sind analytische Berechnungsmodelle auf Basis der Modelle von Stamm/Witte mit den Erweiterungen von HortSmann [14] und SHamS [26] herzuleiten.
Dank
Die Autoren bedanken sich beim Bundesinstitut für Bau, Stadt und Raumforschung (BBSR) für die Förderung des Projekts SWD10.08.18.714.09 „Großformatige energieeffiziente Fassaden aus Textilbeton mit Sandwichtragwirkung – Entwicklung von Herstellmethoden, Bemessungs und Fügekonzepten“ im Rahmen der Forschungsinitiative Zukunft Bau. Weiterhin wird den Forschungspartnern, der Hering Bau GmbH & Co. KG und dem Institut für Bauforschung (ibac) der RWTH Aachen University, für die gute Zusammenarbeit gedankt.
des Demonstrators unter Praxisbedingungen erfolgreich umgesetzt.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass sich großformatige Sandwichelemente mit 30 mm dünnen Deckschichten zielsicher fertigen lassen, wenn die textile Bewehrung in ihrer Lage gesichert ist. Für Oberflächenbearbeitungen mit bekannten Verfahren wie Absäuern, Polieren und Schleifen sind keine Einschränkungen zu erwarten.
Die Sandwichelemente mit Mineralwolle erreichten wegen der effektiven Schubverbindung durch Verbundgitter aus ARGlas auch bei einem weichen Dämmstoff eine
Bild 10 Demonstrator vor der Montage (Hering Bau GmbH & Co. KG)Demonstrator before assembly
Hering Architectural Concrete vereint innovative Materialkonzepte mit jahrzehntelanger Erfahrung in gestaltungsfokussiertem Betonfassadenbau.
Dies bezeugen mittlerweile zahlreiche Refe-renzen, wie beispielsweise das Probenhaus des Balletts am Rhein in Düsseldorf oder das Stammhaus der WDR mediagroup in Köln
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Hering Bau GmbH & Co. KGNeuländer 1 | D-57299 Burbach
T +49 2736 27-0E [email protected] www.hering-ac.com
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Autoren
AnnChristine von der Heid, M.Eng.RWTH AachenLehrstuhl und Institut für MassivbauMiesvanderRoheStraße 152074 [email protected]aachen.de
Dipl.Ing. Reiner GrebeHering Bau GmbH & Co. KGNeuländer 157299 Burbachreiner.grebe@heringbau.de
Dr. Ing. Norbert WillRWTH AachenLehrstuhl und Institut für MassivbauMiesvanderRoheStraße 152074 [email protected]aachen.de
Prof. Dr.Ing. Josef HeggerRWTH AachenLehrstuhl und Institut für MassivbauMiesvanderRoheStraße 152074 [email protected]aachen.de
[18] DIN EN 206: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstel-lung und Konformität. Deutsche Fassung EN 206:2013 + A1:2016 (2017).
[19] DIN EN 1961: Prüfverfahren für Zement – Teil 1: Bestim-mung der Festigkeit. Deutsche Fassung EN 1961:2016 (2016).
[20] DIN EN 123903: Prüfung von Festbeton – Teil 3: Druck-festigkeit von Probeköpern. Deutsche Fassung EN 123903:2009 (2009).
[21] DIN EN 1239013: Prüfung von Festbeton – Teil 13: Bestim-mung des Elastizitätsmoduls unter Druckbelastung (Sekan-tenmodul). Deutsche Fassung EN 1239013:2013 (2013).
[22] KulaS, C.; JaHr, H.; Wirtgen, D.: Dünn durch Glasfaser-technologie – Eastsite VIII, Mannheim. Beton Bauteile 2016, Heft 64.
[23] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z71.339: solidian Sandwichwand. Geltungsdauer: 22.05.2017–22.05.2019.
[24] solidian GmbH: Ebene Bewehrung mit Epoxidharztränkung solidian Grid Q121/121-AAE-38. www.solidian.com.
[25] SCHütze, e.; BielaK, J.; SCHeerer, S.; Hegger, J.; CurBaCH, m.: Einaxialer Zugversuch für Carbonbeton mit textiler Bewehrung. Beton und Stahlbetonbau 113 (2018), Heft 1, S. 33–47.
[26] SHamS, a.; Hegger, J.; HorStmann, m.: An analytical mo-del for sandwich panels made of textile-reinforced concrete. Construction and building materials 64 (2014), Nr. 14, S. 451–459.
Literatur
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[16] SHamS, a.: A novel approach for the production and design of load-carrying sandwich panels with reinforced concrete facings. Dissertation (2015).
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