UNIVERSITÄTSBIBLIOTHEK

Sandwichelemente mit Deckschichten aus Hochleistungsbeton und einem Kern aus extrudiertem Polystyrol

  • Sandwichelemente vereinen aufgrund des gezielten Einsatzes verschiedener Materialien und deren schichtartigen Aufbaus sehr gute Dämmeigenschaften und ein geringes Eigengewicht mit hoher Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit. Sie werden daher seit Beginn der 1960er-Jahre sowohl im Metallleichtbau als auch im Stahlbetonmassivbau vielfältig eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Sandwichelemente mit Deckschichten aus einem mikro- oder auch textilbewehrtem Hochleistungsbeton und einem Kern aus extrudiertem Polystyrol-Hartschaum umfangreich experimentell und rechnerisch untersucht. Ziel war es, den Verbund zwischen dem Kern und den Deckschichten ohne mechanische Verbundmittel, sondern rein über die Adhäsion des profilierten Dämmkerns und den Deckschichten zu erzielen. Das Sandwichtragverhalten wurde durch eine Vielzahl von Biege- und Scherversuchen experimentell untersucht. Die Dauerhaftigkeit des Verbunds zwischen dem Kern und den Deckschichten wurde durch eine Frost-Tau-Wechselbeanspruchung der Scherprobekörper sowie durch eine zyklische Ermüdungsbeanspruchung der Biegeprobekörper bestimmt. Anhand der Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass die Sandwichelemente bei der Verwendung als Wand- oder Dachelement den praxisüblichen Beanspruchungen standhalten und nicht vorzeitig versagen. Das Tragverhalten wurde weiterhin in Bauteilversuchen an großformatigen Sandwichelementen überprüft. Hierzu wurden in einem eigens konstruierten Unterdruckprüfstand zweifeldrig gelagerte Sandwichelemente einer realitätsnahen Beanspruchung durch eine Flächenlast ausgesetzt. Die Materialeigenschaften, die anhand der Scherversuche sowie an Dehnkörperversuchen am bewehrtem Beton ermittelt wurden, dienten zudem als Eingangsparameter zur rechnerischen Untersuchung der Sandwichelemente mit der FE-Software ANSYS. Auf Grundlage der Modellierungen konnten die Versuchsergebnisse interpretiert und das Tragverhalten in Parameterstudien vertiefend analysiert werden. Darüber hinaus wurden auch die Einwirkungen aus einer Temperatur- und Schwindbeanspruchung der Elemente ermittelt. Über Ingenieurmodelle auf Grundlage der Sandwichtheorie konnte bisher der Einfluss der Rissbildung in den Betondeckschichten nur überschlägig und gemittelt über die Länge der Elemente berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurde ein bestehendes Programm zur Ermittlung der Sandwichschnittgrößen um einen Ansatz zur Berücksichtigung der Steifigkeitsreduzierung infolge der Rissbildung umfangreich erweitert. Mit dem neuen Programm swe2+ können nun erstmalig die Schnittgrößen und Verformungen von Sandwichelementen mit gerissenen Betondeckschichten zielsicher und diskret über die Länge eines Sandwichelements ermittelt werden. Durch Beispielrechnungen wurde gezeigt, dass die Umlagerung der Schnittgrößen infolge der Rissbildung in den Deckschichten zu ungünstigeren Beanspruchungen führen kann und diese Umlagerungen bei der Bemessung der Elemente entsprechend zu berücksichtigen sind. Die Bemessung der hier untersuchten Sandwichelemente kann in Anlehnung an die Norm DIN EN 14509 zur Bemessung von Sandwichelementen mit metallischen Deckschichten durchgeführt werden. Durch die Nachrechnungen der Biegeversuche wurde gezeigt, dass auf diese Weise die Elemente mit ausreichender Sicherheit und sehr guter Übereinstimmung bemessen werden können. Dies wird abschließend in zwei Bemessungsbeispielen an einem Wand- sowie einem Dachelement demonstriert.
  • Due to the carefully chosen use of materials in multiple layers, sandwich elements combine high insulation properties and a low dead weight with a high bearing capacity and high bending stiffness. For these reasons, sandwich elements have been used since the 1960s for light weight steel construction as well as for reinforced concrete construction. For this thesis, sandwich elements with facings of micro- and textile-reinforced high performance concrete and a core of extruded polystyrene foam were extensively investigated in experiments and finite-element calculations. The bond between the core and the facings was achieved without any mechanical bonding devices just by adhesion between the textured insulation core and the facings. The sandwich bearing behaviour was investigated in a large number of bending and shear tests. The durability of the bond between the core and the facings was determined in freeze-thaw tests of the shear specimens and cyclic fatigue loading of the bending specimens. The test results show that the sandwich elements are able to transfer the anticipated loading and do not fail during the service life time when used as wall or roof elements. Furthermore, the bearing behaviour was investigated in full-scale element tests. As part of this, two-span bending specimens were exposed to a realistic distributed load in a specially constructed low-pressure test rig. The material properties, which were determined in the shear tests as well as in tensile tests on reinforced concrete, were used as input parameters for the numerical investigation of the sandwich elements with the FE-software ANSYS. On the basis of the FE-modelling, the results of the experiments were interpreted and the bearing behaviour was analysed in depth in parametric studies. As part of this, the strains resulting from shrinkage and temperature loading of the elements were determined. With existing calculation models based on the sandwich theory, the influence of concrete cracking of the facings can only be calculated approximated and averaged over the length of the elements. For this reason, an available program for the determination of the internal forces of sandwich elements was considerably extended. By introducing an additional routine, the stiffness reduction caused by the cracking of the concrete is taken into account. With the new program swe2+, the internal forces and the deformations of sandwich elements with cracked concrete facings can now be determined accurately over the length of a sandwich element. It is shown in example calculations that the redistribution of internal forces caused by the cracking of the facings may result in more critical stress states. Therefore, this redistribution of the internal forces has to be taken into account in the structural design of the elements. The design of the elements investigated can be carried out according to the standard DIN EN 14509 for the design of sandwich elements with metal facings. By the comparison of the calculation results with the results of the bending tests, it was shown that the elements are designed with a sufficient margin of safety and correlation. Finally, the structural design of a wall and roof element is demonstrated in an example.
Metadaten
Author:Frank Müller
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-41333
ISBN:978-3-943995-89-3
Serie (Series number):Schriftenreihe der Fachgebiete Baustofftechnologie und Bauschadenanalyse, Massivbau und Baukonstruktion, Stahlbau des Studienganges Bauingenieurwesen (20)
Advisor:Christian Kohlmeyer, Jürgen Schnell, Klaus Berner
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2015/07/29
Year of Publication:2015
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2015/03/12
Date of the Publication (Server):2015/07/30
Tag:Extrudiertes Polystyrol; Mikrobewehrter Beton; Sandwichtheorie
GND-Keyword:Hochleistungsbeton; Polystyrolschaumstoff; Sandwichbauweise; Textilbeton
Number of page:XII, 281
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 13.02.2015