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Aufgrund der Endlichkeit fossiler Energieträger gewinnen erneuerbare Energien wie Solarenergie zukünftig immer mehr an Bedeutung. Zum einen kann die solare Strah-lung mittels Photovoltaik direkt in elektrischen Strom ungewandelt werden, zum ande-ren kann die Wärme infolge der Sonnenstrahlung in solarthermischen Kraftwerken genutzt werden. Dabei wird die Strahlung punktförmig (Heliostatenkraftwerk) oder li-nienförmig (Parabolrinnenkraftwerk) auf einen Receiver reflektiert. Bei Rinnenkraft-werken ist dieser mit einem thermischen Öl gefüllt, welches erwärmt wird. Der dabei entstehende Dampf wird in einem angehängten industriellen Prozess zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt. Allerdings bestehen diese Rinnensysteme überwie-gend aus aufwendigen, kleinteiligen Stahlfachwerken, deren Montage kostenintensiv ist. Die Standorte solcher Rinnenkraftwerke liegen meist in Wüstenregionen, die korrosive Umgebungsbedingungen für den Stahl aufweisen können. Zudem müssen bei der Er-richtung einer Kraftwerksanlage alle notwendigen Fachwerkelemente über längere Distanzen zu den oftmals abgelegenen Standorten transportiert werden.
Für eine effizientere Auslegung solcher Parabolrinnensysteme entstand die Idee einer optimierten Systemstruktur aus Hochleistungsbeton. Das neuartige Konzept umfasst sowohl eine filigrane Tragstruktur für eine effektive Rinnenherstellung direkt am Aufstel-lungsort, als auch eine geometrische Optimierung, die eine effiziente Sonnennachver-folgung der dünnwandigen Betonschale sicherstellt. Hierfür wurden spezielle Verzah-nungen aus Hochleistungsbeton entwickelt, die in einem direkten Reibkontakt zueinan-der stehen. Dieser verursacht infolge der Sonnennachverfolgung Reibung und Ver-schleiß an den Verzahnungen.
Ziel dieser Arbeit ist sowohl die Auslegung als auch die Untersuchung des Abrieb- und Verschleißverhaltens von Verzahnungen aus Hochleistungsbeton für Parabolrinnen. Weitere Anwendungsgebiete bei denen hohe Kräfte bei kleinen Drehzahlen übertragen werden müssen sind denkbar (z. B. bei Zahnrädern für Schleusentore).
Zuerst werden die theoretischen Grundlagen im Bereich von Parabolrinnensystemen wiedergegeben sowie Erkentnisse über die Verschleißmechanismen bei direktem Reib-kontakt von Betonoberflächen erläutert. Mit der detaillierten Darstellung zur Konstrukti-on und Bemessung von gängigen Maschinenbauverzahnungen wird, für eine optimale Zahnradauslegung, eine interdisziplinäre Wissensverknüpfung geschaffen. In ausge-wählten experimentellen Reibversuchen an Betonplatten sollen genaue Aufschlüsse über das Abriebverhalten des verwendeten Hochleistungsbetons geschaffen werden, welche letztendlich zu einer Auslegung von Verzahnungen aus Hochleistungsbeton führen. Diese Auslegung wird durch FE-Simulationen ergänzt, die Informationen zu den Schwindverformungen der Verzahnung und den auftretenden Spannungen berücksich-tigen.
Abschließend wird anhand eines Großdemonstrators die generelle Umsetzbarkeit eines Parabolrinnensystems mit einer Verzahnung aus Hochleistungsbeton gezeigt.
Keilzinkenverbindungen als Fügetechnik für dünne Bauteile aus mikrobewehrtem Hochleistungsbeton
(2017)
Auf Grundlage von in erster Linie experimentellen Untersuchungen wurden im Rahmen
der Arbeit Keilzinkenverbindungen zum Fügen dünner Bauteile aus mikrobewehrtem
Hochleistungsbeton erforscht. Als Klebstoff kam hierbei ein rein zementgebundener
Hochleistungsmörtel zum Einsatz.
Die Entwicklung von Hochleistungsbetonen und neuartigen Bewehrungsformen, wie
Glas- oder Kohlefasergelegen, ermöglicht die Realisierung von sehr filigranen Konstruktionen.
Aus verschiedenen Gründen, beschränkt sich die Anwendung fast ausschließlich
auf werksmäßig hergestellte Fertigteile. Um daraus größere Strukturen
realisieren zu können, sind geeignete Fügetechniken erforderlich. Einen vielversprechenden
Ansatz stellen hier Klebverbindungen dar. Das Kleben als flächige Fügetechnik
zeichnet sich durch eine kontinuierliche Kraftübertragung und gleichmäßige
Materialauslastung aus.
Der große Vorteil von Zement-Klebstoffen im Vergleich zu Reaktionsharzklebstoffen
ist, dass sie weitestgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sind. Neben
zwei Hochleistungsmörteln, welche auf einer von Mühlbauer 2012 entwickelten Rezeptur
basieren, wurde ein kommerzieller Hochleistungsmörtel eingesetzt.
In einem ersten Schritt wurden verschiedene Voruntersuchungen durchgeführt. Im
Mittelpunkt standen dabei Tastversuche mit unterschiedlichen Fugenvarianten. Das
Versuchsprogramm sah verschiedene Fugengeometrien und Beanspruchungsarten
vor. Neben Mikrobewehrung kam hierbei auch Stabstahlbewehrung zum Einsatz. Als
besonders vorteilhaft hat sich die Keilgeometrie oder Keilzinkenverbindung, wie aus
dem Holzbau bekannt, herauskristallisiert. Neben einer hohen Traglast weist diese
weitere positive Eigenschaften auf, wie z.B. ein duktiles Tragverhalten.
Auf Grundlage von Kleinteilversuchen wurden in einem nächsten Schritt Bruchkriterien
entwickelt, die die Festigkeit der Klebfuge sowohl für eine kombinierte Schub-
Druck- als auch für eine Schub-Zugbeanspruchung beschreiben.
In einer umfangreichen Versuchsserie wurde schließlich das Tragverhalten von Keilzinkenverbindungen
detailliert untersucht. Neben Zugversuchen wurden dabei auch
Drei- und Vierpunktbiegeversuche durchgeführt. Das Versagen lässt sich vereinfachend
in ein Fugenversagen und ein Bewehrungsversagen unterteilen. Ziel einer
fachgerechten Konstruktion und Ausführung von Keilzinkenverbindungen muss ein
Bewehrungsversagen und damit ein duktiles Tragverhalten sein. Einflussfaktoren auf
das Tragverhalten sind der Flankenneigungswinkel, die Zahnlänge, der Bewehrungsgrad
des Bauteils sowie die Art der Klebflächenvorbereitung und der verwendete
Klebstoff.
Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen wurde in einem letzten Schritt ein praxisgerechtes
Bemessungskonzept für zugbeanspruchte, biegebeanspruchte sowie
biege-querkraftbeanspruchte Keilzinkenverbindungen entwickelt.
Sandwichelemente mit Deckschichten aus Hochleistungsbeton und einem Kern aus extrudiertem Polystyrol
(2015)
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.