Schubtragfähigkeit und Beulen von Scheiben aus UHPFRC

UHPFRC (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete) ist ein mineralischer Baustoff, der hervorragende Materialeigenschaften aufweist. Seine extrem hohe Festigkeit und Dichtigkeit bewirkt eine Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinwirkungen sowie chemischen und mechanischen Angriff, die mit derer von Granit vergleichbar ist. Ultra High Performance Concrete (UHPC) weist somit eine Dauerhaftigkeit auf, die wesentlich höher ist als die aller bisher bekannten Betonsorten. UHPC ist nicht als Weiterentwicklung des Hochleistungsbetons anzusehen, sondern als eigenständig entwickelter neuer Baustoff, der eine neue Dimension im konstruktiven Ingenieurbau und in der Architektur eröffnet. Leichte, elegante Tragwerke aus UHPFRC können extrem dünnwandige Stege und/oder Scheiben enthalten. Infolge der Rissbildung in faserbewehrten dünnwandigen Scheiben kommt es zu stark nichtlinearen Materialeffekten. Im Rahmen des beantragten Projektes soll das Schubtragverhalten und die Stabilität (Beulen) dünnwandiger Scheiben sowohl mittels theoretischer Modellierung und numerischer Simulation als auch durch experimentelle Untersuchungen erforscht werden. Die beantragte Forschungsarbeit stellt eine unabdingbare Voraussetzung für die Umsetzung von UHPFRC in Form von innovativen Tragstrukturen und Baumethoden in der Praxis dar.

UHPFRC (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete) bringt wegen seiner Widerstandsfähigkeit und Dauerhaftigkeit vor allem bei Infrastrukturbauwerken enorme volkswirtschaftliche Vorteile. Seine hohe Druckfestigkeit eröffnet außerdem neue Design-Konzepte im Betonbau - weg vom schweren Massivbau, hin zu eleganten dünnwandigen Leichtbauweisen. Die Schubtragfähigkeit und das Ausbeulen von dünnen, wandartigen Bauteilen aus UHPFRC sind äußerst wichtige Kenngrößen für die statische Berechnung von solch modernen Tragwerken wie z.B. leichte, weit gespannte Brücken. Um die dabei auftretenden komplexen Versagnesmechanismen zu verstehen, wurden neue Versuchskonfigurationen und spezielle Regelungstechniken für die Lastaufbringung entwickelt. Damit konnte das an sich schlagartig eintretende Beulversagen im Experiment in Zeitlupe realisiert werden. So können die Verformungen an zahlreichen Messstellen gefahrlos erfasst werden. Um aus den experimentellen Ergebnissen gute Theorien ableiten zu können, muss man auch die im Inneren des Materials wirkenden Kräfte kennen. Da diese im Experiment aber nicht gemessen werden können, wurde jedes Experiment auch mit Hilfe von Ingenieursoftware im Computer simuliert. Bei der Entwicklung der theoretischen Formeln wurde darauf geachtet, nur auf anerkannten, physikalischen Grundgesetzen aufzubauen. Dadurch wird sichergestellt, dass die gewonnen Theorien nicht nur für die ca. 30 durchgeführten Großversuche Gültigkeit haben, sondern auch beliebige andere Fälle damit berechnet werden können. Neben den gesteckten Zielen wurden noch zusätzliche, wertvolle Erkenntnisse in Bezug auf Herstellungstechnik und ihren Einfluss auf die sehr bedeutsame räumliche Ausrichtung der Fasern gewonnen. Es wurde eine neue Messmethode zur zerstörungsfreien Bestimmung der Faserverteilung und der Faserorientierung im Bauwerk erfunden. Mit ihrer Hilfe gelang es, die Hürde der Qualitätskontrolle von UHPFRC-Fertigteilen bei der Umsetzung in der Praxis zu überwinden. Es konnten folgende Pilotprojekte realisiert werden: Fußgängerbrücke Lienz (Fertigstellung 2009), ÖBB Hilfsbrücke (Fertigstellung 2011) und die erste große Straßenbogenbrücke der Welt, die WILD-Brücke in Völkermarkt (Fertigstellung 2010). Die praktischen Erfahrungen und wissenschaftlichen Ergebnisse werden in die UHPC-Richtlinie der Österreichischen Vereinigung für Beton und Bautechnik (ÖVBB) einfließen. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an der TU Graz zur Weiterentwicklung der zukunftsweisenden UHPC-Bauweise sind heute international anerkannt. Auch in Österreich wurden die Leistungen des Grazer UHPC-Teams durch die Verleihung zweier angesehener Ingenieurpreise (ZT.Award 2007 und Österreichischer Baupreis 2008) sowie durch den renommierten Dr. Wofgang Houska-Preis 2008 für die beste Forschungsleistung Österreichs im Jahre 2008 gewürdigt.