Forschung im Fachgebiet Massivbau

Ultrahochleistungsbetone (UHPC) in Betonstrukturen bieten ein enormes Potential im Hinblick auf eine sehr hohe, massenoptimierte Tragfähigkeit sowie eine überragende Dauerhaftigkeit. Um dem spröden Versagen von UHPC entgegenzuwirken, werden in der Regel beträchtliche Mengen von hochfesten Mikrostahldrahtfasern beigemischt, die aus Gründen der Ressourcenschonung in der Strukturbemessung berücksichtigt werden müssen. Während für ultrahochfeste Betone mit Mikrostahlfasern (UHPFRC) unter vorwiegend ruhenden Beanspruchungen schon Modellansätze für Biegung, Querkraft und Torsion existieren, ist noch unklar, wie die Fasertragwirkung bei ermüdungsbeanspruchten Bauteilen angesetzt werden kann. Erste Untersuchungen an UHPFRC-Zugkörpern unter zyklischer Zugbeanspruchung innerhalb der ersten Förderperiode des SPP2020 deuten darauf hin, dass auch nach einer hochzyklischen Zugbelastung in Einstufenversuchen noch ein beträchtlicher Ermüdungswiderstand vorhanden ist. Allerdings ist das Ermüdungsverhalten von UHPFRC unter komplexen Beanspruchungsszenarien (Mehrstufenversuche) bisher noch nicht untersucht worden.

Daher sollen in dem beantragten Forschungsvorhaben - aufbauend auf den Untersuchungen und Erkenntnissen der ersten Förderperiode - die Schädigungsmechanismen und der Degradationsverlauf von UHPFRC unter komplexen, zyklischen Zugbeanspruchungen grundlegend experimentell und numerisch untersucht werden. Zum einen sollen durchgängige und systematisch abgestufte experimentelle Untersuchungen (Mehrstufenversuche mit Reihenfolgeeffekten und Schadensakkumulation) an verschiedenformatigen Versuchskörpern (inkl. zweier Demonstratoren) durchgeführt und mittels moderner mechanischer Messverfahren und bildgebender Methoden, wie z. B. Digitalmikroskopie (DM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Computertomografie (CT) und Photogrammetrie (GOM), sowie Schallemissionsanalyse (SEA) dokumentiert, ausgewertet und analysiert werden. Zum anderen soll basierend auf dem mesoskaligen Verbundmodell aus der ersten Förderperiode eine effiziente Homogenisierungsstrategie entwickelt und implementiert werden, um das Degradationsverhalten des Kompositwerkstoffs UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung kontinuumsmechanisch zu beschreiben. Zur Modellvalidierung werden die Versuchsergebnisse aus der ersten und zweiten Förderperiode herangezogen und numerisch analysiert. Ziel ist die makroskopische Bauteil-Simulation für monotone und zyklische Beanspruchungen.

Übergeordnet soll mit der Verknüpfung der in den experimentellen und numerischen Untersuchungen erzielten Erkenntnisse und Modelle zum Experimental-Virtual-Lab eine Degradationsprognose für UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung entwickelt werden, die an einem Demonstrator validiert wird und bei zug- und biegezugbeanspruchten Tragwerken aus modernen Hochleistungsbetonen eingesetzt werden kann.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:

Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann

Technische Universität Braunschweig
Institut für Statik
Prof. Dr.-Ing Dieter Dinkler

Förderdauer/Laufzeit: 2020 - 2023

Ansprechpartner: Jan-Paul Lanwer, M.Sc.

Veröffentlichungen:

• Gietz, L.; Kowalsky, U.; Dinkler, D.; Lanwer, J.-P.; Empelmann, M.: Homogenisation of the material behaviour of UHPFRC under tension. In: Proceedings of the 8th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation (SEMC 2022) in Kapstadt, Südafrika, 05.-07.09.2022, S. 1313-1319.
• Lanwer, J.-P.; Höper, S.; Gietz, L.; Kowalsky, U.; Empelmann, M.; Dinkler, D.: Fundamental Investigations of Bond Behaviour of High-Strength Micro Steel Fibres in Ultra-High Performance Concrete under Cyclic Tensile Loading. In: Materials 2022, 15(1), 120. (Link)

Mit den additiven Fertigungsverfahren (AM) Partikelbett-, Extrusions- und Spritzbetonverfahren (3D-Betondruck) können ressourcenschonende und statisch optimierte Betonbauteile aus z. B. mittels Vorspannung zusammengespannten AM-Segmenten hergestellt werden. Die Ausführung der Fugen ist hierbei von besonderer Bedeutung und spielt eine entscheidende Rolle für die Montage der AM-Segmente auf der Baustelle, das Tragverhalten der AM-Bauteile sowie die praktische Umsetzung der AM-Verfahren.

Aus diesem Grund sollen in diesem Teilprojekt des SFB/TRR 277 – Additive Manufacturing in Construction - The Challenge of Large Scale – die Ausführung, der Herstellungsprozess und die Tragfähigkeit der Fugen von (vorgespannten) AM-Betonsegmenten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen AM-Verfahren und der variablen Belastungssituationen untersucht werden. Zu Beginn des Teilprojekts sollen in WP 1 mögliche Ausführungsarten von Trockenfugen erforscht und zusammengestellt werden. Der Herstellungsprozess der bevorzugten Trockenfugenausführungen soll anschließend in WP 2 evaluiert und erste Versuche an trockenen Fugenausschnitten unter Druck durchgeführt werden. Mit diesen Erkenntnissen werden in WP 3 Probekörper mit Trockenfugen hergestellt und hinsichtlich ihrer Beanspruchbarkeit (unter vorwiegender Schubbeanspruchung) untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein Anwendungskatalog und ein Berechnungsansatz für Trockenfugen von AM-Segmenten abgeleitet. Anschließend werden AM-Segmente mit Trockenfugen hergestellt und adaptiv zu ersten Segmentträgern zusammengesetzt (WP 4). Das Tragverhalten der Träger wird experimentell und numerisch untersucht sowie zur Validierung des entwickelten Berechnungsansatzes herangezogen.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:

Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
Fachgebiet Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Technische Universität Braunschweig
Institut für Tragwerksentwurf
Prof. Dr.-Ing. Harald Kloft

Förderdauer/Laufzeit: 2020-2023

Ansprechpartner: Jan-Paul Lanwer, M.Sc.

Veröffentlichungen:

• Lanwer, J.-P.; Weigel, H.; Baghdadi, A.; Empelmann, M.; Kloft, H.: Jointing Principles in AMC - Part 1: Design and Preparation of Dry Joints. In: Applied Sciences 12 (2022), No. 9, 4138. (Link) 
• Empelmann, M.; Kloft, H.: Practical solutions in additive manufacturing – Innovative jointing principles. In: BFT International 87 (2021), Heft 2, S. 93. (Link)
• Kloft, H.; Empelmann, M.; Hack, N.; Herrmann, E.; Lowke, D.: Bewehrungsstrategien für den Beton-3D-Druck. In: Beton- und Stahlbetonbau 115 (2020), Heft 8, S. 607-616. (Link)
• Kloft, H.; Empelmann, M.; Hack, N.; Herrmann, E.; Lowke, D.: Reinforcement Strategies for 3D‐Concrete‐Printing. In: Civil Engineering Design 2 (2020), Heft 4, S. 131–139. (Link)

Um im Stahlbetonbau den Korrosionsschutz der Bewehrung, ein gutes Erscheinungsbild und ggf. die Dichtigkeit zu gewährleisten, müssen auftretende Rissbreiten auf ein gewisses Maß begrenzt werden. Für eine wirklichkeitsnahe rechnerische Ermittlung der Rissbreiten sind eine Vielzahl von Einflussparametern zu berücksichtigen. Insbesondere zeitabhängige Effekte, die sich infolge wechselnder Belastungszustände während der Lebensdauer eines Bauteils und des nichtlinearen Materialverhaltens (z. B. Verbundkriechen, Betonkriechen und Betonschwinden) ergeben, sind zu erfassen.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll die Rissbreite in Stahlbetonbauteilen unter Berücksichtigung von Langzeiteffekten modelltheoretisch, experimentell und numerisch untersucht werden. Hierfür soll vor allem der lastpfadabhängige Schlupf zwischen der Bewehrung und dem umliegenden Beton, die innere Betonrissbildung im Bereich der Bewehrung (Sekundärrisse bzw. Goto-Risse) und die Rissaufweitung der Primärrisse von der Bewehrung zur Bauteiloberfläche berücksichtigt werden. Ziel der geplanten Untersuchungen ist die Quantifizierung lokaler Schädigungseffekte und deren Berücksichtigung bei der Berechnung von Rissbreiten. Von den Ergebnissen werden wichtige Erkenntnisse zur Berücksichtigung von bisher nur global oder vereinfacht erfassten Effekten sowie zum Einfluss von Beanspruchungsänderungen während der Nutzungsdauer (Lastpfadabhängigkeit) bei der rechnerischen Ermittlung von Rissbreiten erwartet.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075

Förderdauer/Laufzeit: 2018 - 2020

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Cramer, J.; Empelmann, M.: Statistische Verteilung von Rissabständen und Rissbreiten in Stahlbetonbauteilen. In: Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021), Heft 11, S. 859-870. (Link)
• Cramer, J.; Empelmann, M.: Einfluss des Schwindens auf Rissbreiten unter Lastbeanspruchung in Stahlbetonbauteilen. In: Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021), Heft 9, S. 677-688. (Link)
• Cramer, J.; Javidmehr, S.; Empelmann, M.: Simulation of Crack Propagation in Reinforced Concrete Elements. In Applied Sciences 11 (2021), no. 2, 785. (Link)
• Cramer, J.; Empelmann, M.: Monitoring von Rissbreiten am Beispiel einer vorgespannten Hohlkastenbrücke. In: Praxisheft „Synergien zwischen Forschung und Praxis - Einblicke in die Forschung des Graduiertenkollegs 2075“, Oktober 2020, S. 23-28.
• Empelmann, M.; Cramer, J.: Time-dependent development of crack widths in reinforced concrete structures. In: Derkowski, W. et al. (Ed.): Proceedings of the fib Symposium 2019, 27.-29.05.2019 in Krakau (Polen), S. 621-628 (full paper digital).
• Empelmann, M.; Cramer, J.: Recommendations for the building practice - Special aspects of crack width calculation. In: BFT International 85 (2019), Heft 2, S. 87.
• Empelmann, M.; Cramer, J.: Rissbreiten an biegebeanspruchten Bauteilen. In: Beton- und Stahlbetonbau 113 (2018), Heft 4, S. 291-297.

Die Zustandsbewertung und Überwachung bestehender Brückenbauwerke erfordert gegenwärtig einen hohen Einsatz an Ressourcen. Zur Minimierung des zeitlichen und finanziellen Aufwands stellt die kontinuierliche Überwachung und Bewertung mittels Sensorik eine zukunftsweisende Alternative dar. Dazu wurde von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) das Konzept der „Intelligenten Brücke“ vorgeschlagen, das die Verknüpfung von Sensorik, Brückenmodell und zugehöriger Daten beschreibt und die zukunftsweisende Ausrichtung der Überwachung des bestehenden Brückenbestands auf Grundlage neuster technischer Entwicklungen zum Ziel hat.

Trotz zunehmender Fallstudien und Praxisprojekten zum Einsatz der Sensoren existieren aktuell nur wenige Beispiele, die den übergeordneten und nicht nur auf das Einzelobjekt bezogenen Mehrwert der sensorbasierten Daten für den Brückenbetreiber belegen können. Dies liegt unter anderem daran, dass die großen Datenmengen, die mit solchen Monitoringsystemen generiert werden, nicht ohne Weiteres in eine entscheidungsgerechte Information konvertiert werden können. Ferner ist eine langlebige und robuste digitale Dateninfrastruktur unerlässlich.

Ziel dieses Forschungsprojekts ist die konzeptionelle Entwicklung einer digitalen Infrastruktur für die “Intelligente Brücke”, mit der einerseits die verbesserte Zuverlässigkeit der Datenerfassung über die gesamte Lebensdauer der Brücke und andererseits eine höhere Aussagekraft der datenbasierten Informationen für die Entscheidungsfindung erzielt werden können. Dazu werden die gemessenen Daten in verschiedene Cluster unterteilt und mit Bezug auf die vier Ebenen einer intelligenten digitalen Infrastruktur (Datenerfassung, Datenmanagement und Datenaufbereitung bis hin zur wertvollen Information für die Entscheidungsfindung) strukturiert (siehe Abbildung). Mit dem Clusterbezug werden unterschiedliche Mess- und Speicherraten und damit auch Löschungsintervalle erforderlich, die beim Datenmanagement zusammen mit der Hardware- und Softwaresicherheit thematisiert werden. Auf Basis der Untersuchungen wird ein multivariantes Anforderungsportfolio für die digitale Dateninfrastruktur erstellt, welche die Verknüpfung der gemessenen Big-Data zu den bestehenden Datenbanken sowie zu den Key-Performance Indikatoren (KPI) der Brückenbauwerke ermöglicht.

Projektträger: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)

Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:

Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
Fachgebiet Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Technische Universität Braunschweig
Institut für Bauwirtschaft und Baubetrieb
Lehrstuhl für Infrastruktur- und Immobilienmanagement (IIM)
Prof. Dr.-Ing. Tanja Kessel

Förderdauer/Laufzeit: 2021-2022

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Mit dem stetig wachsenden Anteil an Schwerlastverkehr steigt gleichermaßen der Anspruch an eine leistungsfähige und dauerhafte Infrastruktur. Hierzu eignet sich die Ausführung der Fahrbahndecke als durchgehend bewehrte Betonfahrbahn (DBB). Infolge von Eigen- und Zwangsspannungen die aus Schwind- und Temperatureinflüssen resultieren, treten Risse in DBB auf, die sich zusätzlich durch nutzungsspezifische Beanspruchungen vergrößern können. Die auftretenden Rissabstände und Rissbreiten sind auf unkritische Maße zu beschränken, um eine definierte Kraftübertragung und ausreichende Dauerhaftigkeit sicherzustellen. Demzufolge ist es erforderlich, bereits bei der Bemessung eine zielsichere Abschätzung über zu erwartende Risse unter Berücksichtigung zeitlich und örtlich variabler Einflussfaktoren treffen zu können.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen anhand experimenteller, theoretischer und numerischer Untersuchungen verschiedene Einflussfaktoren (u. a. Bewehrungsdurchmesser, -grad und -lage, Lagerungsbedingungen, Zeitpunkt der Rissbildung) identifiziert und quantifiziert werden. Zusätzlich wird vorhandenes Wissen über Rissbildungsvorgänge und Rissmechanik auf die Randbedingungen von DBB übertragen und in Modelle überführt, welche mithilfe der durchzuführenden experimentellen Untersuchungen kalibriert werden.

Ziel des Forschungsvorhabens am iBMB ist es, auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen einen Ansatz zur Begrenzung der Rissabstände und Rissbreiten in stetigen Fahrbahnbereichen zu erarbeiten. Zusätzlich werden Empfehlungen für die konstruktive Durchbildung der Betonfahrbahndecke und den Unterbau ausgearbeitet.

Projektträger: 

Das IGF-Vorhaben (Nr.: 20667 N / 2) des Gemeinschaftsausschusses Kaltformgebung e.V. (GAK) wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 

Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen: 

Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)
Fachgebiet Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

RWTH Aachen University
Fachbereich Bauingenieurwesen
Lehrstuhl und Institut für Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger

Technische Universität München
Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau
Prof. Dr.-Ing. Stephan Freudenstein

Förderdauer/Laufzeit: 2019 - 2021

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Hegger, J.; Chudoba, R.; Schmidt, C.; Empelmann, M.; Cramer, J.; Zühlsdorf, M.-R.; Freudenstein, S.; Bollin, M.: Optimierung von durchgehend bewehrten Betonfahrbahnen (DBB) – Zielsichere Prognose von Rissabstand und Rissbreite und Wirksame Risssteuerung. Schlussbericht zum IGF-Vorhaben Nr. 20667 N, 2021. (zum GAK)

• Schmidt, C.; Bollin, M.; Cramer, J.; Chudoba, R.; Freudenstein, S.; Empelmann, M.; Hegger, J.: Untersuchungen zur Rissbildung in durchgehend bewehrten Betonfahrbahnen. In: Bauingenieur 96 (2021). Heft 10, S. 358–375.

Die derzeit eingesetzten ultrahochfesten Faserbetone (UHPFRC) weisen in der Regel sehr hohe Fasergehalte auf, um einem Versagen mit Sprödbruch entgegenzuwirken. Die hohe Faserzugabe führt unter Zugbeanspruchung zu einem überkritischen Zugtragverhalten mit hoher Nachrisszugfestigkeit, das einen erheblichen Einfluss auf das Trag- und Verformungsverhalten von UHPFRC-Bauteilen unter Biegung, Querkraft und Torsion hat. UHPFRC wird aufgrund der sehr hohen erzielbaren Festigkeiten im Vergleich zu Normalbeton vorzugsweise für schlanke und dünnwandige sowie gewichts- und leistungsoptimierte Bauteile eingesetzt, die allerdings aufgrund ihrer hohen Schlankheit besonders schwingungsanfällig sind. Unklar ist, inwieweit sich zyklische Beanspruchungen auf die Fasertragwirkung bzw. die Nachrisszugfestigkeit auswirken. Das Degradationsverhalten von UHPFRC unter Ermüdungsbeanspruchung ist aufgrund der wenigen vorhandenen Untersuchungen nur ansatzweise verstanden.

Daher sollen innerhalb dieses Teilprojektes des SPP 2020 – Schädigungsprozesse in faserbewehrtem ultrahochfestem Beton unter zyklischer Zugbeanspruchung – der Schädigungsverlauf und die Schädigungsmechanismen von UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung grundlegend experimentell und numerisch untersucht werden. Zum einen sollen systematisch abgestufte experimentelle Untersuchungen an kleinformatigen Probekörpern, wie Faserzugversuche, Faserauszugversuche und UHPFRC-Zugversuche durchgeführt werden. Mithilfe mechanischer Messverfahren und bildgebender Methoden, wie z. B. Digitalmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Computertomografie und photogrammetrischer Messsysteme sollen die Versuche ausgewertet, analysiert und dokumentiert werden. Zum anderen soll das Spannungs-Deformations-Verhalten von UHPFRC mathematisch-numerisch konsistent auf der Mesoskala modelliert werden. Kontinuumsmechanische Modelle mit Berücksichtigung von inelastischem Deformationsverhalten und Schädigung werden für die Beschreibung des Materialverhaltens der Einzelkomponenten unter Ermüdungsbeanspruchung erweitert. Das Verbundverhalten von Faser und Betonmatrix soll diskret mithilfe eines weiterzuentwickelnden Verbundmodells in Finite-Element-Analysen berücksichtigt werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erfassung, Beschreibung und Modellierung des Degradationsverhaltens von faserbewehrtem Ultrahochleistungsbeton unter zyklischer Zugbeanspruchung mit konsistenter Beachtung der Schädigungsentwicklung und -mechanismen auf der Mikro- und Mesoskala.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:

Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann

Technische Universität Braunschweig
Institut für Statik
Prof. Dr.-Ing Dieter Dinkler

Förderdauer/Laufzeit: 2017 - 2020

Ansprechpartner: Jan-Paul Lanwer, M.Sc.

Veröffentlichungen:

• Lanwer, J.-P.; Empelmann, M.: Performance-Based Fibre Design for Ultra-High Performance Concrete (UHPC). In: Applied Sciences 12 (2022), no. 17, 8559. (Link)
• Lanwer, J.-P.; Empelmann, M.: Fundamental Investigations on the Performance of Micro Steel Fibres in Ultra-High-Performance Concrete under Monotonic and Cyclic Tensile Loading. In: Applied Sciences 11 (2021), no. 20, 9377. (Link)
• Oettel, V.; Lanwer, J.-P.; Empelmann, M.: Auszugverhalten von Mikrostahlfasern aus UHPC unter monoton steigender und zyklischer Belastung. In: Bauingenieur 96 (2021), Heft 01-02, S. 1-10.
• Empelmann, M.; Oettel, V.; Lanwer, J.-P.; Dinkler, D.; Kowalsky, U.; Höper, S.: Cyclic Deterioration of Bond Zone between Fibres and UHPC. In: Proceedings of HiPerMat 2020, S. 141-142, Kassel, 11.03.2020.
• Lanwer, J.-P.; Oettel, V.; Empelmann, M.; Höper, S.; Kowalsky, U.; Dinkler, D.: Bond behavior of micro steel fibers embedded in ultra-high performance concrete subjected to monotonic and cyclic loading. In: Structural Concrete 20 (2019), Heft 4, S. 1243-1253.
• Höper, S.; Kowalsky, U.; Dinkler, D.; Lanwer, J.-P.; Oettel, V.; Empelmann, M.: Experimental and numerical investigations of UHPFRC under cyclic tensile loading. In: Proceedings of the 7th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation (SEMC 2019) in Kapstadt, Südafrika, 02.-04.09.2019, S. 1462-1467.
• Lanwer, J.-P.; Oettel, V.; Empelmann, M.; Höper, S.; Kowalsky, U.; Dinkler, D.: Degradation Processes of UHPFRC under Cyclic Tensile Loading. In: Derkowski, W. et al. (Ed.): Proceedings of the fib Symposium 2019, 27.-29.05.2019 in Krakau (Polen), S. 1912-1919 (full paper digital).
• Empelmann, M.; Oettel, V. und Lanwer, J.-P.: Experimental investigations of UHPC, steel fibres and embedded steel fibres under cyclic tensile loading. In: Proceedings of the International Conference on Sustainable Materials, Systems and Structures (SMSS2019) "Durability, Monitoring and Repair of Structures" in Rovinj (Croatia), 20.-22.03.2019, S. 756-763.

Im Rahmen des Verbundvorhabens „ConJack - Erforschung einer Gründungsstruktur von Offshore-Windenergieanlagen auf Basis einer Fachwerkstruktur aus Beton“ soll eine alternative Lösung für Gründungsstrukturen entwickelt werden, die technische, wirtschaftliche und ökologische Vorteile gegenüber den bisherigen Stahlstrukturen (Stahl-Jackets, Monopiles) für Anlagen in Wassertiefen von über 40 m aufweist. Die Hauptmotivation entsteht aus der Überzeugung hinsichtlich des Mehrwerts des Werkstoffs Beton (Verwendung eines Ultrahochleistungsbetons), so dass sich insbesondere im Bereich Wartung und Instandhaltung Vorteile im Vergleich zu den Stahl-Jackets oder XXL-Monopiles ergeben.

Wesentliche Elemente des „ConJacks“ stellen die an den Knotenpunkten der Konstruktion befindlichen Kontaktfugen bzw. Segmentfuge dar, an denen die Einzelsegmente miteinander verbunden werden. Am iBMB, Fachgebiet Massivbau sollen daher im Rahmen des Teilvorhabens „Beton-Segmentfugen unter statischer und zyklischer Beanspruchung bei sehr hohen Lastwechselzahlen“ vorrangig strukturmechanische Fragestellungen bzgl. der Betonknoten mit Segmentfugen untersucht werden. Durch theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit sowie Ermüdungsfestigkeit der Segmentfuge, soll eine sichere Auslegung sowie Ausführung eines robusten und zuverlässigen Knotenpunktes gewährleistet werden. Eine weitere Aufgabe besteht in der Mithilfe bei der Konzeption sowie der wissenschaftlichen und prüftechnischen Begleitung durchzuführender Großversuche zur Realisierung eines ConJack-Prototyps.

Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH (PTJ)/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderdauer/Laufzeit: 2017 - 2019

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann & Henrik Matz, M.Sc.

Veröffentlichungen:

• Empelmann, M.; Wichert, M.; Matz, H.: ConJack – Erforschung einer Gründungsstruktur von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) auf Basis einer Fachwerkstruktur aus Beton. Teilvorhaben: Beton-Segmentfugen unter statischer und zyklischer Beanspruchung bei sehr hohen Lastwechselzahlen. Schlussbericht zum BMWi-Forschungsvorhaben 0324105C, iBMB, TU Braunschweig, 2020 (digital im Bibliothekskatalog der TIB).
• Wichert, M.; Empelmann, M.: Adhesive bond strength of grouted joints between UHPC segments under static and cyclic loads. In: Proceedings of HiPerMat 2020, S. 83-84, Kassel, 11.03.2020.
• Empelmann, M.; Wichert, M.; Matz, H.: Spaltversagen von vermörtelten UHPC-Segmentfugen. In: Bauingenieur 95 (2020), Heft 2, S. 55-63.
• Matz, H.; Wichert, M.; Empelmann, M.: Numerical investigations on grouted segment joints for UHPC-structures. In: Proceedings of the 7th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation (SEMC 2019) in Kapstadt, Südafrika, 02.-04.09.2019, S. 1421-1426.
• Wichert, M.; Matz, H.; Empelmann, M.: Grouted segment joints for structures made of ultra-high performance concrete. In: Derkowski, W. et al. (Ed.): Proceedings of the fib Symposium 2019, 27.-29.05.2019 in Krakau (Polen), S. 2231-2238 (full paper digital).

Spannbetonbauteile mit Spanngliedern im sofortigen Verbund werden u. a. bei Kranbahnträgern, Decken im Industriebau, Türmen von Windenergieanlagen, Masten oder Brücken eingesetzt, die starken dynamischen Beanspruchungen mit hohen Lastwechselzahlen unterliegen. Bei diesen Bauteilen kommt der Sicherstellung einer ausreichenden Ermüdungsfestigkeit eine maßgebende Bedeutung zu, wobei das Ermüdungsversagen des Spannstahls häufig maßgebend wird.

Im Rahmen vorausgegangener Forschungsvorhaben am iBMB, Fachgebiet Massivbau konnte festgestellt werden, dass sich die Ermüdungsfestigkeit von eingebauten Spanngliedern im sofortigen Verbund (insbesondere im Dauerfestigkeitsbereich) deutlich von der freischwingend geprüfter Spannstahlproben unterscheiden kann, wobei letztere die Grundlage für die normativen Wöhlerlinien (u. a. nach EC2 und MC10) bilden.

Im aktuellen Forschungsvorhaben soll daher das Ermüdungsverhalten von Spanngliedern im sofortigen Verbund grundlegend untersucht werden. Anhand experimenteller, theoretischer und numerischer Untersuchungen sollen unterschiedliche struktur- und systembedingte Einflussfaktoren und Schädigungsmechanismen festgestellt und quantifiziert werden, die sich aus den komplexen Vorgängen und Beanspruchungen beim Ermüdungsprozess von Spanngliedern im sofortigen Verbund ergeben und die Ermüdungsfestigkeit des Spannstahls beeinflussen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, auf Grundlage dieser Untersuchungen ein Modell zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Spanngliedern im sofortigen Verbund abzuleiten, dass die Auswirkungen der verschiedenen Einflussfaktoren und Schädigungsmechanismen berücksichtigt.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderdauer/Laufzeit: 2017 - 2020

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Remitz, J.; Empelmann, M.: High-cycle fatigue tests of pretensioned concrete beams. In: PCI Journal 67 (2022), No. 1, p. 63-76. (Link)
• Remitz, J.; Empelmann, M.: Ermüdungsverhalten von umgelenkten Bündelspanngliedern. In: Praxisheft „Synergien zwischen Forschung und Praxis - Einblicke in die Forschung des Graduiertenkollegs 2075“, Oktober 2020, S. 15-18.
• Remitz, J.; Empelmann, M.: Cyclic tensile tests on prestressing strands embedded in concrete. In: Materials and Structures 53, 53 (2020). (Link)
• Remitz, J.: Fatigue Evaluation of Pre-Tensioned Concrete Girders. In: Report of 6th IABSE Young Engineers Colloquium 2019, S. 20-21, Berlin, 11.10.2019.
• Empelmann, M.; Remitz, J.: Behavior of prestressed concrete girders – New findings on the fatigue behavior of precast elements. In: BFT International 85 (2019), Heft 2, S. 64.
• Remitz, J.; Empelmann, M.: Specific Influences on Fatigue Life of Prestressing Steel. In: Hiller, E. (Ed.): 12th Japanese German Bridge Symposium – Volume of Abstracts and Full Papers, München, 04.-07.09.2018.

Bestandsbauwerke wie Brücken sind während ihrer Nutzungsdauer u. a. erhöhter Verkehrsbeanspruchungen und mechanischer Alterung infolge zyklischer Beanspruchung (Ermüdung) unterworfen. Die Änderung der Materialeigenschaften von Beton infolge zyklischer Beanspruchung, gekoppelt mit den inhärenten Defiziten der Bestandsbauwerke, erfordern eine möglichst genaue Einschätzung der vorhandenen Tragreserven für die Nachrechnung der Bestandsbrücken. Häufig wird bei den Nachrechnungen (u. a. unter Querkraftbeanspruchung) auf die Zugtragwirkung von Beton als eine vernachlässigte Tragreserve zurückgegriffen. Die Betonzugtragwirkung soll zur Bestimmung der Tragreserven bzw. der Resttragfähigkeit von Bestandsbauwerken unter Berücksichtigung der mechanischen Alterung (Degradation) von Beton bestimmt werden.

Hierzu soll ein Modell zur Berücksichtigung der Zugtragwirkung von Beton unter mechanischer Alterung entwickelt werden. Dafür werden Versuche unter zyklischer Belastung durchgeführt und anschließend die vorhandene Resttragfähigkeit bzw. der Schädigungsgrad bestimmt. Aufgrund aktueller, in der Praxis diskutierter, Problemstellungen soll die Querkrafttragfähigkeit und hierbei insbesondere die Rolle der zeit- und beanspruchungsabhängigen Zugtragwirkung des Betons genauer untersucht werden. Basierend auf den experimentellen und numerischen Untersuchungen sollen Konzepte zur Evaluation der Resttragfähigkeit gealterter Massivbauwerke entwickelt werden.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075

Förderdauer/Laufzeit: 2015 - 2018

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Javidmehr, S.; Empelmann, M.: Schrägrissbildung von Stahlbetonbalken unter zyklischer Querkraftbeanspruchung / Diagonal cracking of reinforced concrete beams under cyclic shear loading. In: Bauingenieur 96 (2021), Heft 4, S. 132-141.
• Javidmehr, S.; Empelmann, M.: Nachweiskonzepte für die Nachrechnungsrichtlinie -Stufe 4. In: Praxisheft „Synergien zwischen Forschung und Praxis - Einblicke in die Forschung des Graduiertenkollegs 2075“, Oktober 2020, S. 1-5.
• Javidmehr, S.; Empelmann, M.: Diagonal cracking load of concrete members without shear reinforcement. In: Kohoutková, A., et al.: Proceedings of The 12th fib International PhD Symposium in Civil Engineering. 29.-31. August in Prag, S. 457-465, Prag, 2018.
• Javidmehr, S.; Oettel, V.; Empelmann, M.: Schrägrissbildung von Stahlbetonbalken unter Querkraftbeanspruchung. In: Bauingenieur 93 (2018), Heft 6, S. 248-254.
• Javidmehr, S.: Zugtragwirkung von Beton bei der Querkrafttragfähigkeit von Bestandsbrücken. In: Beton- und Stahlbetonbau 112 (2017), Heft 7, S. 455.
• Javidmehr, S.; Empelmann, M.: Zugtragwirkung von Beton bei der Querkrafttragfähigkeit von Bestandsbrücken – Bestimmung der Schrägrisslasten unter Querkraftbeanspruchung. Beiträge zur 5. DAfStb-Jahrestagung mit 58. Forschungskolloquium, Band 2, S. 1-11, Kaiserslautern, 2017.
• Busse, D.; Javidmehr, S.: Schubtragfähigkeit bestehender Brücken - Potenziale alternativer Nachweisformate. In: Seminarband zum VSVI-Seminar Nr. 10 „Brücken- und Ingenieurbau“, S. 21-28, Braunschweig, 2016.

Im Rahmen der 2. Förderperiode des DFG-Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ wird am iBMB, Fachgebiet Massivbau das Teilprojekt "Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile unter Querkraft- und Torsionsbeanspruchung" bearbeitet.

In der 1. Förderperiode des SPP 1542 wurden am iBMB, Fachgebiet Massivbau dünnwandige Betonhohlbauteile entwickelt, deren Wandstärken von 2,5 bis 3,0 cm im Bereich der aktuellen Betondeckung liegen. Zur Umsetzung dieser Wandstärken wurde ein hochfester, selbstverdichtender Feinkornbeton gewählt und mehrere innovative Bewehrungskonzepte überprüft. Hierbei wurde insbesondere der Einsatz einer mehrlagigen Mikrobewehrung aus geschweißten Drahtgittern als vorteilhaft identifiziert. Versuche zum Tragverhalten der dünnwandigen Betonhohlbauteile unter überwiegender Normalkraft- und Biegebeanspruchung zeigten, dass trotz des geringen Materialeinsatzes hohe Traglasten erreicht werden können. Um den Einsatz der ultraleichten Betonhohlbauteile in ebenen und räumlichen Fachwerkstrukturen, aufgelösten Trägern oder Mastkonstruktionen zu ermöglichen, sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.

In der 2. Förderperiode sollen daher weitergehende theoretische und experimentelle Untersuchungen für die Beanspruchungssituationen „Querkraft“ und „Torsion“ erfolgen, auf deren Basis zudem theoretische und konstruktive Grundlagen für Entwurf, Berechnung und Herstellung von dünnwandigen, stabförmigen Betonhohlbauteilen unter allgemeinen Beanspruchungssituationen erarbeitet werden können.

Im Zuge der Bearbeitung wurden bereits umfangreiche Versuche zum Biege- und Querkrafttragverhalten mikrobewehrter Betonbauteile durchgeführt. Zur Untersuchung des Biegetragverhaltens wurden 4-Punkt-Biegeversuche an mikrobewehrten Biegebalken durchgeführt (s. Bild links). In den Versuchen zum Querkrafttragverhalten wurden profilierte, dünnwandige Träger mit mikrobewehrtem Steg geprüft (Bild rechts). Insgesamt konnte gezeigt werden, dass mit der Mikrobewehrung ein mit konventionellen Stahlbetonbauteilen vergleichbares Tragverhalten erreicht werden kann. Er konnten jedoch deutlich feinere Rissbilder und erhöhte Verformungen beobachtet werden.

Derzeit laufen weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Tragverhalten der dünnwandigen, mikrobewehrten Betonhohlbauteilen unter Querkraft- und Torsionsbeanspruchung. Hierzu sind bis zum Abschluss des Teilprojekts weitere Versuche an dünnwandigen, mikrobewehrten Betonhohlbauteilen geplant.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderdauer/Laufzeit: 2014 - 2017

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Busse, D.; Empelmann, M.: Bending behavior of high-performance, micro-reinforced concrete. In: Structural Concrete 20 (2019), Heft 2, S. 720-729.
• Busse, D.; Empelmann, M.: Shear strength of thin-walled concrete members with micro-reinforcement. In: Kohoutková, A., et al.: Proceedings of The 12th fib International PhD Symposium in Civil Engineering. 29.-31. August in Prag, S. 337-344, Prag, 2018.
• Busse, D.; Empelmann, M.: Shear Strength of Thin-Walled, Micro-Reinforced Concrete Members. In: Proceedings of HPC/CIC 2017, Tromsø, Norway, 06.-08. March 2017
• Busse, D.; Empelmann, M.: Dünnwandige, mikrobewehrte Betonbauteile unter Querkraftbeanspruchung. In: Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016), Heft 12, S. 840-850. 
• Busse, D.: Mikrobewehrung in dünnen Betonbauteilen. In: Tagungsband zur 4. Jahrestagung mit 57. Forschungskolloquium des DAfStb, Braunschweig, 16.-17.11.2016.
• Busse, D.; Empelmann, M.: Ultra-lightweight, tubular concrete members for three-dimensional truss structures. In: Tagungsband zum IASS Symposium 2015, 17. - 20.08.2015, Amsterdam.
• Busse, D.; Empelmann, M.: Ultra-light Concrete Members Inspired by Bamboo. In: Tagungsband zum fib Symposium 2015 Copenhagen, S. 199-200 (bzw. Long Paper auf USB-Stick), Kopenhagen, 2015.

Für den Einsatz in Offshore-Windkraftanlagen bzw. Küsten- und Hafenbauwerken soll im Rahmen des Forschungsprojektes der Einsatz einer nichtmetallischen Basaltfaserbewehrung (BFRP) in außerordentlich dauerhaften, dünnwandigen Betontragkonstruktionen aus ultrahochfestem Beton (UHPC) untersucht werden. Als Bauteile werden u. a. Stützen und Balken untersucht, die im Schleuderverfahren hergestellt werden.

Zu Beginn werden Materialuntersuchungen am Bewehrungssystem und am eingesetzten UHPC durchgeführt. Dabei werden hinsichtlich des BFRP bestehende Systeme untersucht und auf den hier vorliegenden Anwendungsfall optimiert. Zusätzlich sollen die Materialkennwerte mit Hilfe von statischen und dynamischen Versuchen ermittelt werden. Anschließend werden mit kleinmaßstäblichen Versuchen Aussagen zum Verbund- und allgemeinen Tragverhalten getroffen. Anschließend sollen großmaßstäbliche Bauteilversuche an Stützen, Balken sowie Platten unter z. T. kombinierten Beanspruchungssituationen durchgeführt und mit numerischen Berechnungen abgeglichen werden.

Projektträger: Forschungsinitiative "Zukunft Bau" - Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR)

Förderdauer/Laufzeit: 2015 - 2017

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Empelmann, M.; Oettel, V.; Javidmehr, S.; Wichert, M.: Bond behaviour of embedded FRP rebars in HPC and UHPC. In: Proceedings of HiPerMat 2020, S. 67-68, Kassel, 11.03.2020.
• Moghaddam, O; Wichert, M.; Empelmann, M.: Neuartige, mit nicht-metallischer Basaltbewehrung (BFRP) vorgespannte Rohrprofile aus Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) für außerordentlich dauerhafte, materialsparende Betontragkonstruktionen unter klimatisch und chemisch extremen Beanspruchungen. Schlussbericht zum BBSR-Forschungsvorhaben SWD-10.08.18.7-14.30, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2018. (Link)

Im modernen Hochbau ist eine anhaltende Entwicklung zu Tragwerken mit immer weniger und gleichzeitig immer schlankeren Stützen zu beobachten. Dieser Umstand bewirkt eine höhere Belastung der verbleibenden Druckglieder. Druckglieder mit großen Stabdurchmessern gewinnen daher zunehmend an Bedeutung. Die Verwendung von Längsbewehrung mit Stabdurchmessern ≥ 32 mm ermöglicht z. B. eine Verringerung der erforderlichen Bewehrungslagen, trägt zu einer vereinfachten Bewehrungsführung bei und bewirkt einen reduzierten Arbeitsaufwand beim Verlegen der Bewehrung. Durch diese Bewehrungskonzentration können hohe Bewehrungsgrade erreicht werden, die neue Möglichkeiten eröffnen. So kann z. B. die Tragfähigkeit von Stützen mit gleichbleibenden Querschnittsabmessungen gesteigert werden, während die Querschnittsabmessungen von Stützen mit gleichbleibender Tragfähigkeit hingegen reduziert werden können.

Im Gegensatz zu herkömmlicher Bewehrung, ist die Verwendung von Längsbewehrung mit Stabdurchmessern ≥ 32 mm an die Einhaltung zusätzlicher Konstruktionsregeln gebunden. Nach DIN EN 1992-1-1 umfassen diese Regeln für Druckglieder unter anderem Angaben zur Mindestabmessung, dem Grenzwert der Betondruckfestigkeit, den Abständen und Durchmessern der Bügelbewehrung, der maximalen Anzahl von Bewehrungsstäben je Bügelecke sowie zur Ausbildung von Druckstößen.

Obwohl die Ergebnisse des vorausgegangenen Forschungsvorhabens IGF 16992 gezeigt haben, dass die Bemessungs- und Konstruktionsregeln herkömmlicher Bewehrung für Längsbewehrung mit Stabdurchmessern ≥ 32 mm in weiten Teilen übernommen werden können, blieben einige Fragen unbeantwortet. Im Rahmen des aktuellen Forschungsvorhabens sollen diese Fragen beantwortet und weiterführende Fragestellungen untersucht werden. Ziel ist es die bestehenden Einschränkungen zu entschärfen und die aktuellen Bemessungs- und Konstruktionsregeln auf Grundlage abgesicherter Ergebnisse weiterzuentwickeln.

Projektträger:

Das IGF-Vorhaben (16992N/1) des Gemeinschaftsausschusses Kaltformgebung e.V. (GAK) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Lehrstuhl und Institut für Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger

Technische Universität Kaiserslautern
Fachgebiet Massivbau und Baukonstruktion
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell

Förderdauer/Laufzeit: 2015 - 2017

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Hegger, J,; Schoening, J.; Schnell, J.; Breit, F.; Empelmann, M.; Held, F. W.: Bemessungs- und Konstruktionsregeln bei großen Stabdurchmessern und hohen Bewehrungsgraden. Abschlussbericht zum IGF-Vorhaben 18821 N/1, 2018.
• Oettel, V.; Empelmann, M.: Große Stabdurchmesser und hohe Bewehrungsgrade - Teil 3: Druckglieder. In: Beton- und Stahlbetonbau 113 (2018), Heft 11, S. 789-798.
• Empelmann, M.; Oettel, V.; Held, F. W.: Stützen mit großen Stabdurchmessern und hohen Bewehrungsgraden für den Hochhausbau. In: Vielfalt im Massivbau, Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell. S. 428-442, Ernst & Sohn, Berlin, 2018.
• Held, F. W.; Oettel, V.; Empelmann, M.: Concrete Columns with High Reinforcement Ratios. In: Proceedings of fib Symposium 2017, 12.-14.06.2017 in Maastricht (Niederlande), S. 259 (abstract, full paper on USB-Stick).

Da Massivbauwerke während ihrer Nutzung häufig dauernd wirkenden Lasten ausgesetzt sind, soll innerhalb des Teilprojektes „Auswirkungen von Dauerlasten auf das Tragverhalten von Massivbauteilen“ des Graduiertenkollegs 2075 – Modelle für die Beschreibung der Zustandsänderung bei Alterung von Baustoffen und Tragwerken – das Materialverhalten von verschiedenen Betonen unter Dauerbeanspruchung untersucht werden.

Das Dauerstandverhalten von Beton ist vor allem bei druckbeanspruchten Bauteilen von hoher Bedeutung. Dies betrifft u. a. hoch beanspruchte Stützen oder Wände, unbewehrte Fundamente oder Biegebauteile mit großen Betondruckzonen. Die Betontechnologie hat sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt, die Untersuchungen des Dauerstandverhaltens von Beton aus der Literatur liegen schon relativ weit zurück (ca. um 1960 und älter) und die Untersuchungen wurden nur an Normalbeton vorgenommen. Daher sollen das Dauerstandverhalten und die beeinflussenden Faktoren auf das Dauerstandverhalten, auch von den neuentwickelten Betonen (z. B. Hochfester Beton etc.), untersucht werden. Außerdem wird der Einfluss von Betonstahlbewehrung (Störung der Spannungsverläufe, aber auch Umlagerungsmöglichkeit) und Einflüsse aus Vorschädigungen (Alterung) der Versuchskörper in Hinblick auf das Dauerstandverhalten betrachtet.

Neben der Zusammenstellung der Grundlagen (Literaturrecherche) werden experimentelle Untersuchungen an Versuchskörpern mit unterschiedlichen (der Nutzung von Bauwerken nachempfundenen) einwirkungs- bzw. zeitabhängigen Belastungsniveaus vorgenommen. Weitere zu untersuchende Parameter sind u. a. das Betonalter bei Erstbelastung und die Lagerungsbedingungen der Versuchskörper.

Basierend auf den Versuchsergebnissen sollen Konzepte bzw. Modelle zur Berücksichtigung des Dauerstandeffektes für verschiedene Betone entwickelt werden.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075

Förderdauer/Laufzeit: 2016 - 2019

Ansprechpartner:  Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Empelmann, M.; Javidmehr, S.: Evaluation of concrete compression failure under high sustained loads. In: Zhao, B.; Lu, X. (Ed.): Proceedings of the fib Symposium 2020, 22.-24.11.2020 in Shanghai (China), S. 827-834 (Online-Konferenz).
• Empelmann, M.; Javidmehr, S.: Dauerstandverhalten von Normalbeton. Beton- und Stahlbetonbau 115 (2020), Heft 4, S. 260-269. (Link)
• Brachmann, G.: Bemessungswerte der Betondruckfestigkeit unter Dauerlast. In: Beton- und Stahlbetonbau 112 (2017), Heft 7, S. 437.
• Brachmann, G.; Empelmann, M.: Bemessungswerte der Betondruckfestigkeit unter Dauerlast. Beiträge zur 5. DAfStb-Jahrestagung mit 58. Forschungskolloquium, Band 2, S. 130-140, Kaiserslautern, 2017.
• Brachmann, G.; Empelmann, M.: Design Compressive Strength Values of Concrete Under Sustained Loads. In: Tagungsband zum fib Symposium 2017 Maastricht, S. 132 (bzw. Long Paper auf USB-Stick), Maastricht, 2017.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer umwelt- und ressourcenschonenden Bauweise für Freileitungsmaste im Zuge von Höchstspannungsleitungen, die durch die kompakte Anordnung der Leiterseile zu einer wesentlichen Reduzierung der Trassenbreite und des erforderlichen Flächen- und Raumbedarfs führt. Es sollen technische Lösungen entwickelt werden, die den hohen Anspruch an die technische Sicherheit einer Höchstspannungsleitung gewährleisten. Ein weiteres Ziel ist, dass diese Bauweise zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten, die dem Niveau von bestehenden Gittermastbauweisen entsprechen, umsetzbar sein soll und zu geringen Lebenszykluskosten führt.

Das Verbundvorhaben gliedert sich in folgende Teilaufgaben:

TP1:   Entwurf einer Referenz-Freileitung und Bestimmung von Grundlagenparametern

TP2:   Entwicklung von Isoliertraversen

TP3:   Entwicklung einer optimierten UHPC-Rezeptur und Bestimmung der bemessungsrelevanten
          Materialparameter

TP4:   Untersuchungen zum Einfluss elektrischer, thermischer und mechanischer Belastung auf die
          Materialparameter sowie die elektrische Lebensdauer des bewehrten UHPC

TP5:   Untersuchungen zum Tragverhalten von Schleuderbeton-Höchstspannnungsmasten aus UHPC

TP6:   Untersuchungen zum Tragverhalten von Kompakthöchstspannungsmasten aus Stahl mit polygonalem
          Querschnitt

TP7:   Entwicklung von Verbindungs- und Fügetechniken für Kompakthöchstspannungsmasten 

TP8:   Sicherstellung des Transfers für eine Pilotanwendung 

Das iBMB, Fachgebiet Massivbau ist an den TP3, TP5, TP7 und TP8 beteiligt. Den Abschlussbericht des iBMB zum Verbundvorhaben können Sie hier herunterladen. Die Berichte der Projektpartner finden Sie hier unter dem Stichwort "KoHöMaT".

Verwertung der Forschungsergebnisse

Der Netzbetreiber TenneT lässt zwei 380-kV Trassenabschnitte (80 km) mit insgesamt 473 "KoHöMaT" bauen. Ab 2018 realisieren die Europoles GmbH & Co. KG aus Neumarkt i. d. Opf. in Zusammenarbeit mit dem niederländischen Bauunternehmen Heijmans das rund 220 Millionen Euro teure Projekt. Weitere Informationen dazu finden Sie hier.

Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH (PTJ)/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderdauer/Laufzeit: 2013 - 2016

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Empelmann, M.; Remitz, J.; Dittmar, F.: High-performance precast concrete elements for overhead transmission poles. In: BFT International 85 (2019), Heft 5, S. 24-31. (Link)
• Empelmann, M.; Remitz, J.: Schleuderbetonmaste aus ultrahochfestem Beton - Versuche an großformatigen Prototypen. In: Bauingenieur 93 (2018), Heft 10, S. 412-421.
• Remitz, J.; Wichert, M.; Empelmann, M.: Ultra-High Performance Spun Concrete Poles - Part I: Load-Bearing Behaviour. In: Proceedings of HPC/CIC 2017, Tromsø, Norway, 06.-08. March 2017
• Wichert, M.; Remitz, J.; Empelmann, M.: Ultra-High Performance Spun Concrete Poles - Part II: Tests on Grouted Pole Joints. In: Proceedings of HPC/CIC 2017, Tromsø, Norway, 06.-08. March 2017
• Remitz, J. Wichert, M.: Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton. In: Tagungsband zur 4. Jahrestagung mit 57. Forschungskolloquium des DAfStb, Braunschweig, 16.-17.11.2016.
• Empelmann, M.; Remitz, J.; Wichert, M.; Kim, S.: Kompakthöchstspannungsmasten und -Traversen (KoHöMaT). Schlussbericht zum BMWi-Forschungsvorhaben 03ET7516D, iBMB, TU Braunschweig, 2016. (Link)
• Remitz, J.; Wichert, M.; Empelmann, M.: Schleuderbetonmasten aus Hochleistungswerkstoffen - Teil 1: Materialverhalten des UHPSC. iBMB Kurzbericht aus der Forschung, 2016.
• Remitz, J.; Kim, S.; Empelmann, M.: Schleuderbetonmasten aus Hochleistungswerkstoffen - Teil 2: Tragverhalten unter kombinierter Beanspruchung. iBMB Kurzbericht aus der Forschung, 2016
• Wichert, M.; Kim, S.; Empelmann, M.: Schleuderbetonmasten aus Hochleistungswerkstoffen - Teil 3: Verbindungselemente von Mastsegmenten. iBMB Kurzbericht aus der Forschung, 2016.

Mit Einführung des Eurocode 2 (EC2) wurde für jeden CEN-Mitgliedsstaat ein zugehöriger Nationaler Anhang erarbeitet, welcher die Anwendungen der Regeln in den jeweiligen Ländern ermöglichen soll. In den Nationalen Anhängen der Länder wurden somit Faktoren mit unterschiedlichen Werten festgelegt. Dies betrifft auch die Beiwerte α_cc, α_ct und k_t. Im Rahmen der Bearbeitung werden die Ansätze bzw. Untersuchungen zur Festlegung der genannten Beiwerte nach EN 1992-1-1 zusammengestellt und ausgewertet.

Innerhalb des Forschungsvorhabens werden Hintergrundinformationen zum Dauerstandverhalten von Normalbeton recherchiert. Auf Basis der Recherche und unter Berücksichtigung der Entwicklung der Betontechnologie sollen die Beiwerte α_cc, α_ct und k_t neu bewertet werden.

Bild 1 zeigt eine Auswertung des Faktors α_cc. Zu sehen sind die in den Nationalen Anhängen zum EC2 festgelegten Werte im Vergleich zu Wertebereichen, welche durch die Untersuchungen festgelegt werden konnten.

Projektträger: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e.V. (DAfStb) / Initiative Praxisgerechte Regelwerke im Bauwesen e.V.

Förderdauer/Laufzeit: 2016 - 2016

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Empelmann, M.; Javidmehr, S.: Anwendungsgerechte Bestimmung des αcc‐Beiwerts. In: Beton- und Stahlbetonbau 115 (2020), Heft 8, S. 560-565. (Link)

Bild 1: Darstellung der α_cc Werte der Nationalen Anhänge der Länder im Vergleich mit den durch die Untersuchungen aus der Literatur erzielten Wertebereichen

Im Rahmen von zwei DIBt-Forschungsvorhaben wurde das Ermüdungsverhalten von Spannstählen sowohl im nachträglichen als auch im sofortigen Verbund theoretisch und experimentell untersucht. Hierzu wurden die in der internationalen Fachliteratur vorhandenen Ermüdungsversuche an klein- und großmaßstäblichen Versuchskörpern im Rahmen einer Datenbank unter Berücksichtigung diverser Einflussfaktoren zusammenfasst und den normativen Regelungen nach EC2 gegenübergestellt.

Für Spannglieder im nachträglichen Verbund zeigte sich im Zeitfestigkeitsbereich eine gute Übereinstimmung zwischen den Versuchsergebnissen und den Wöhlerlinien, während im Dauerfestigkeitsbereich kaum Versuche durchgeführt wurden. Bei den eigenen experimentellen Untersuchungen standen der bisher in den Normen nicht berücksichtigte Einfluss unterschiedlicher Hüllrohrkrümmungen und unterschiedlicher Betonfestigkeiten im Dauerfestigkeitsbereich im Fokus (Versuchskörper B1 bis B4). Hierbei konnten sowohl Versuchsergebnisse aus der Literatur bestätigt als auch Defizite in Bezug auf die normativen Angaben aufgezeigt werden.

Für Spannglieder im sofortigen Verbund konnte im Bereich geringer Schwingbreiten (< 200 N/mm²) und hoher Lastwechselzahlen (> 10^6) eine deutliche Abweichung zwischen den Ergebnissen an Spannbettbindern und den normativen Wöhlerlinien, die auf freischwingend geprüfte Spannstahlproben basieren, festgestellt werden. Die im Dauerfestigkeitsbereich reduzierte Ermüdungsfestigkeit von Spanngliedern im sofortigen Verbund im Vergleich zu freischwingenden Spannstählen konnte anhand eigener experimenteller Untersuchungen bestätigt werden (Versuchskörper B5).

Projektträger: Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt)

Förderdauer/Laufzeit: 2013 - 2015

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Remitz, J.; Empelmann, M.: Fatigue Life of Curved Tendons in Post-Tensioned Concrete Structures. In: Foster, S. (Ed.): Proceedings of fib Congress 2018, 07.-11.10.2018 in Melbourne (Australien), S. 342-343 (abstract, full paper digital).
• Remitz, J.: Fatigue of Post-Tensioned Steel. In: Report of 4th IABSE Young Engineers Colloquium 2017, S.48-49, Bochum, 31.03.2017.

• Remitz, J.; Empelmann, M.: Ermüdungsnachweis der Bewehrung bei Spannbetonbauteilen. In: Seminarband zum VSVI-Seminar Nr. 10 „Brücken- und Ingenieurbau“, S. 73-78, Braunschweig, 2016.

• Remitz, J.; Empelmann, M.: Ermüdungsfestigkeit von eingebauten Spanngliedern - Versuche an Spannbetonträgern. In: Bauingenieur 90 (2015), Heft 12, S. 553-561.
• Remitz, J.; Empelmann, M.: Dauerschwingfestigkeit von Spannstählen unter dynamischer Beanspruchung im eingebauten Zustand. Schlussbericht zum DIBt-Forschungsvorhaben P 52-5-7.294.1-1425/13, iBMB, TU Braunschweig, 2015.
• Remitz, J.; Empelmann, M. (2015): Ermüdungsverhalten von eingebauten Spanngliedern. In: VSVI-Seminar Nr. 12 „Brücken- und Ingenieurbau“ am 24. März 2015 in Braunschweig, Vereinigung der Straßenbau- und Verkehrsingenieure e.V., Niedersachsen, Braunschweig.
• Empelmann, M.; Remitz, J.: Ermüdungsverhalten von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund. In: Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Heft 11, S. 760-770.

Die Verwendung von Betonstählen mit großen Durchmessern ≥ Φ32 mm kann in baupraktischer Hinsicht aus mehreren Gründen sinnvoll sein. So lassen sich bei hoch bewehrten Konstruktionen, wie z. B. stark beanspruchten Fundamentplatten oder Stützen, signifikante Vereinfachungen in der Bewehrungsführung erzielen. Die Verwendung größerer Stabdurchmesser verringert die Anzahl der Bewehrungslagen und damit den Arbeitsaufwand beim Verlegen, vergrößert die statische Nutzhöhe und vereinfacht wegen der größeren Stababstände das Betonieren.

Durch die mit großen Stabdurchmessern vereinfachten Bewehrungsführungen kann auch der Bewehrungsgrad von einzelnen Bauelementen erhöht werden, sodass sich größere Tragfähigkeiten bei gleichen Abmessungen realisieren lassen. Insgesamt ist durch die Anwendung von Stabdurchmessern ≥ Φ32 mm eine erhebliche Weiterentwicklung der Stahlbetonbauweise zu erwarten.

Bei der Bemessung und konstruktiven Durchbildung von Druckgliedern werden in DIN EN 1992-1-1 Vorgaben z. B. hinsichtlich der Stützengeometrie und des Bewehrungsgrades gemacht. Die Verwendung von großen Stabdurchmessern kann dabei zu wirtschaftlicheren und ausführungstechnisch günstigeren Lösungen führen (bessere Betonierbarkeit). Außerdem kann der Stahltraganteil einer Stütze (maximaler Bewehrungsgehalt) vergrößert werden. Des Weiteren ist eine Umschnürungsbewehrung in Form von Bügeln notwendig, um ein frühzeitiges, seitliches Ausknicken der Betonstähle bei größeren Bügelabständen zu verhindern. Hierbei sind Stabdurchmesser und Bewehrungsgrad der Längsbewehrung die maßgebenden Eingangsgrößen zur Bestimmung der erforderlichen Bügelbewehrungsmenge und der Bügelabstände. Bei einer Längsbewehrung aus großen Stäben (≥Φ 32) fehlt eine Absicherung dieser Zusammenhänge durch Bauteilversuche. Von besonderer Bedeutung ist auch die Ausbildung von Druckstößen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Klärung der offenen Fragen zur Bewehrungsführung und zu den Bemessungsregeln bei großen Betonstahldurchmessern Ø32 mm bis Ø40 mm. Als Ergebnis sollen abgesicherte Bemessungs- und Konstruktionsregeln für große Betonstahldurchmesser zur Verfügung stehen, die zur technischen und wirtschaftlichen Weiterentwicklung der Stahlbetonbauweise ganz generell sowie der Bewehrungstechnik im Speziellen beitragen.

Förderdauer/Laufzeit: 2012 - 2014

Projektträger:

Das IGF-Vorhaben (16992N/1) des Gemeinschaftsausschusses Kaltformgebung e.V. (GRK) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektbeteiligte Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing Martin Empelmann

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Lehrstuhl und Institut für Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger

Technische Universität Kaiserslautern
Fachgebiet Massivbau und Baukonstruktion
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Veröffentlichungen:

• Schoening, J.; Oettel, V.: Reviewing the additional rules for large bar diameters according to EC2 – bending elements and columns. In: BFT International 82 (2016), Heft 2, S. 185-187.
• Oettel, V.; Empelmann, M.: Überprüfung der zusätzlichen Regeln für ∅40 mm nach EC2  -  Teil 3: Druckglieder. In: Beton- und Stahlbetonbau 110 (2015), Heft 9, S. 598-608.

• Hegger, J,; Schoening, J.; Schnell, J.; Schäfer, M.; Empelmann, M.; Oettel, V.: Weiterentwicklung von Bemessungs- und Konstruktionsregeln bei großen Stabdurchmessern (> 32 mm, B500). Abschlussbericht zum  IGF-Vorhaben 16992N/1, 2015. (Link)

• Oettel, V.; Empelmann, M.: Concrete Elements Reinforced with Large Diameters - Part 3: Columns. In: Tagungsband zum fib Symposium 2015 Copenhagen, S. 114-115 (bzw. Long Paper auf USB-Stick), Kopenhagen, 2015.
• Empelmann, M.; Oettel, V.; Kim, S.: Innovative Stützen für den Hochhausbau. In: Massivbau im Wandel, Festschrift zum 60. Geburtstag von Josef Hegger. S. 123-134, Ernst & Sohn, Berlin, 2014.
• Empelmann, M.; Oettel, V.: Bewehrungstechniken nach EC2. In: beton 63 (10/2013), S. 386-387.

Hauptziel des Schwerpunktprogramms 1542 "Leicht Bauen mit Beton - Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien", das von der Deutschen Forschungsgesellschaft gefördert wird, ist das Schaffen der Grundlagen für eine neue Art zu entwerfen, zu konstruieren und zu bauen. Ein Teilprojekt innerhalb des Schwerpunktprogramms 1542 – Leicht Bauen mit Beton ist das Projekt EM 203/6-1:

"Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile".

Das Forschungsvorhaben bezieht sich auf grundlegende Untersuchungen von ultraleichten, dünnwandigen, vorgefertigten stabförmigen Betonhohlbauteilen. Diese Hohlbauteile können entweder als Einzelbauteile (z. B. Hochhausstütze), als Teil eines stabförmigen Bauteils (z. B. Segment eines Turmbauwerks oder Mastes) oder als Teil eines flächenartigen Bauteils (z. B. Raumgitterstrukturen) eingesetzt werden (Bild 1). Vorbild für diese Betonstäbe ist der Bambus, ein extrem leichtes, dennoch hochfestes Hohlprofil. 

Bild 1: Anwendungsmöglichkeiten für „Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile“ 
           www.flickr.com/photos/alanstanton/8553424416, www.flickr.com/photos/ciudadartesyciencias/7003124349
           und www.flickr.com/photos/brewbooks/176247670 (Creative Commons Licence CC BY-SA 2.0)

Konzeption der Versuchskörper

Um dünnwandige stabförmige Stahlbetonbauteile mit hoher Traglast herstellen zu können sind im Vergleich zu Bauteilen aus Normalbeton Anpassungen erforderlich. Um trotz der geringen Querschnittsfläche hohe Traglasten erreichen zu können wird ein hochfester Feinkornbeton auf Basis des Dyckerhoff-Compounds „Flowstone“ verwendet. Da eine konventionelle Bewehrungskonzeption aufgrund der geringen Wandstärken nur bedingt umgesetzt werden kann wurden drei alternative Bewehrungskonzepte untersucht (Bild 2).

Bild 2: Untersuchte Bewehrungskonzepte und Versuchskörper der Serie S1

Versuchsprogramm

Die Versuchskörper werden unter überwiegender Normalkraftbeanspruchung mit geringen Exzentrizitäten (0,5 cm, 2 cm und 5 cm) geprüft. Mit einer Nachrechnung der Versuche an einem nichtlinearen Stabmodell konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse der Versuche sehr gut abgebildet werden können (Bild 4). Um eine möglichst genaue Nachrechnung zu ermöglichen wurden parallel zu den Versuchen an Betonzylindern sowie Stahlproben die Arbeitslinien der verwendeten Baustoffe ermittelt.

Bild 3: Vergleich der Last-Verformungskurven in Versuch und Berechnung (Versuchsreihe S1)

Zusammenfassung der aktuellen Ergebnisse

Zusammenfassend können auf Basis des aktuellen Bearbeitungsstands folgende Punkte festgehalten werden:

• Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile können zielsicher und in hoher Qualität hergestellt werden.
• Die untersuchten Bewehrungskonzepte können eingebaut und durch den feinkörnigen, fließfähigen Beton sehr gut eingebunden werden.

• Die untersuchten Prüfkörper erreichen die prognostizierte Traglast.
• Das Last-Verformungsverhalten kann mit den ausgewählten Materialkennlinien und Berechnungsmodellen sehr gut abgebildet werden.
• Einflüsse auf das Tragverhalten infolge der geringen Wandstärken (Maßstabs- bzw. Bauteileffekte) waren bei den bisherigen Versuchen nicht zu erkennen.

• Der Einsatz hochfester Längsbewehrung ermöglicht die volle Ausnutzung der Betondruckfestigkeit.
• Normalfeste Bewehrung führt zu einem Versagen vor Erreichen der Betondruckfestigkeit.
• Mikronetzbewehrung zeigt ein gutes Tragverhalten und ermöglicht die volle Ausnutzung der Betondruckfestigkeit. 

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Weitere Informationen zum Schwerpunktprogramm: www.spp1542.tu-dresden.de

Förderdauer/Laufzeit: 2011 - 2014

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Kurzberichte zu diesem Projekt (Pdf-Datei 1 und 2)

Veröffentlichungen:

• Busse, D.; Sawicki, P.; Empelmann, M.: Dünnwandige Betonhohlbauteile aus hochfestem Feinkornbeton. Beton 66, Heft 1+2/2016, S. 30-35.
• Busse, D.; Empelmann, M.: Tragverhalten dünnwandiger Betonhohlbauteile aus hochfestem Feinkornbeton. In: Bautechnik 92 (1), S. 46-56.
• Busse, D.; Sawicki, P., Empelmann, M.: Ultraleichte, dünnwandige Betonhohlbauteile aus hochfestem Feinkornbeton. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag Institut für Massivbau der TU Dresden, S. 36-47.

Der zunehmende Verkehr und daraus resultierende Schädigungsprozesse sowie die Alterung der Baustoffe und neue Bemessungsnormen bedingen in letzter Zeit vermehrt eine Nachrechnung von bestehenden Brücken in Deutschland. Grundlage dafür ist die vom Bundesverkehrsministerium erarbeitete Nachrechnungsrichtlinie.

Zur Sicherstellung der verkehrlichen Nutzung bietet die Nachrechnungsrichtlinie auch die Möglichkeit an, am Bauwerk eine kompensierende Überwachungsmaßnahme vorzunehmen. Hierzu zählen permanente Kontrollmechanismen, wie z. B. die Einrichtung eines Monitoringsystems, oder die Ergreifung zusätzlicher bzw. ergänzender Maßnahmen der Bauwerksprüfung, z. B. verringerte Prüfabstände.

Häufig führt die Bauwerksüberprüfung in Form einer Inspektion zu subjektiven Ergebnissen und birgt die Gefahr des Schadenseintritts zwischen den einzelnen Prüfterminen. Mit einem permanenten Überwachungssystem lassen sich dagegen kontinuierliche und objektive Zustandswerte bestimmen. Mit der Installation eines sensorbasierten Alarmsystems mit definierten Schwellwerten kann so z. B. die Überschreitung kritischer Kenngrößen, wie Durchbiegung, Neigung oder Rissweite, kontinuierlich überwacht werden. Vorab bedarf es dazu der Systemidentifikation des Bauwerks, um die kritischen Schwellwerte definieren zu können.

Ziel dieses gemeinsam von dem Fachgebiet Massivbau und dem Fachgebiet Baustoffe und Stahlbetonbau des iBMB der TU Braunschweig bearbeiteten Forschungsvorhabens „Überwachungskonzepte für Bestandsbauwerke aus Beton als Kompensationsmaßnahme zur Sicherstellung von Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit“ des Projektträgers Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ist es, auf spezielle Defizite von Bestandsbrücken abgestimmte Monitoringkonzepte als kompensierende Überwachungsmaßnahmen zu entwickeln und den erzielbaren Sicherheitsgewinn zu quantifizieren.

Gegenstände des Forschungsprojektes sind dabei:

• die Erarbeitung der Inhalte, Anforderungen, Möglichkeiten und Grenzen von Monitoringkonzepten, welche als kompensierende Überwachungsmaßnahme dienen können,
• die Formulierung von Ansätzen zur Quantifizierung des Sicherheitsgewinns durch kompensierende Überwachungsmaßnahmen im semi-probabilistischen Sicherheitskonzept und
• die Umsetzung und Verifikation des entwickelten Konzeptes an einem defizitären Beispielbauwerk.

Projektträger: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)

Förderdauer/Laufzeit: 2012 – 2013

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Innerhalb dieses Teilprojektes des SPP 1182 - Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton - in der dritten Förderperiode wurden das Last-Verformungs-Verhalten von dünnwandigen monolithischen und segmentären Balken mit Hohlkastenquerschnitt aus faserbewehrtem ultra-hochfestem Beton (UHPFRC) unter Torsion sowie der kombinierten Beanspruchung aus Vorspannung, Biegung, Querkraft und Torsion experimentell, numerisch und theoretisch untersucht. Ferner wurden Bemessungs- und Konstruktionsregeln in Anlehnung an die DIN EN 1992-1-1 entwickelt, die als Grundlage für die Ausarbeitung einer UHPC-Richtlinie ergänzend zu DIN EN 1992-1-1 dienen sollen.

Zunächst wurde die Zugstrebentragfähigkeit von monolithischen Balken mit Hohlkastenquerschnitt unter reiner Torsionsbeanspruchung untersucht. Auf Basis der erzielten Ergebnisse wurden für faser- und kombibewehrte Balken Bemessungsgleichungen entwickelt, ein Ansatz zur Berücksichtigung der Stahlfasern bei der Mindesttorsionsbewehrung aufgestellt und Konstruktionsregeln vorgeschlagen.

Im Anschluss erfolgte die Untersuchung der Druckstrebentragfähigkeit an extern vorgespannten monolithischen und segmentären Balken mit Hohlkastenquerschnitt unter reiner Torsion. Mit Hilfe der Versuchsergebnisse konnte für den verwendeten UHPFRC der Abminderungsfaktor der einaxialen Druckfestigkeit abgeleitet und die Übertragbarkeit der Bemessungsgleichung der Druckstrebe der DIN EN 1992-1-1 für Hohlkastenquerschnitte mit einseitiger Wandbewehrung aus UHPFRC aufgezeigt werden.

Abschließend wurde die Druckstrebentragfähigkeit bei kombinierter Beanspruchung aus Torsion, Biegung und Querkraft an extern vorgespannten monolithischen und segmentären Balken mit Hohlkastenquerschnitt untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die lineare Interaktionsbedingung für die kombinierte Beanspruchung aus Querkraft und Torsion der DIN EN 1992-1-1 in guter Näherung auch für monolithische und segmentäre Balken mit Hohlkastenquerschnitt aus UHPFRC gilt.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Kurzbericht zu diesem Projekt (PDF-Datei)

Veröffentlichungen:

• Oettel, V.; Empelmann, M.: Structural behavior of profiled dry joints between precast ultra-high performance fiber reinforced concrete elements. In: Structural Concrete 20 (2019), Heft 2, S. 446-454.
• Oettel, V.; Empelmann, M.: Load-Bearing Capacity of Profiled Dry Joints between Adjacent UHPFRC Precast Elements. In: Foster, S. (Ed.): Proceedings of fib Congress 2018, 07.-11.10.2018 in Melbourne (Australien), S. 344-345 (abstract, full paper digital).
• Oettel, V.; Empelmann, M.: Zugspannungs-Dehnungs-Beziehung für UHPFRC in Anlehnung an DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau 110 (2015), Heft 7, S. 468-478.
• Oettel, V.; A. Rieke; Empelmann, M.: Производство и испытания тонкостенных сборных элементов из сверхвысокопрочного фибробетона (Production and testing of thin-walled UHPFRC precast elements). In: БЕТОННЬІЙ ЗАВОД − Concrete Plant + Precast Technology International Russia (2015), Heft 1, S. 24-30.
• Oettel, V.; Empelmann, M.: Monolithische Balken und vorgespannte Segmentbauteile aus UHPC unter Torsions- und kombinierter Biege-, Querkraft- und Torsionsbeanspruchung / Monolithic Box Girders and Prestressed Segmental Components Made of UHPC under Torsion and Combined Bending, Shear and Torsion. In: Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton / Sustainable Building with Ultra-High Performance Concrete. Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Band 22, Kassel, 2014, S. 515-530.
• Oettel, V.; Rieke, A.; Empelmann, M.: Production and testing of thin-walled UHPFRC precast elements. In: BFT International 80 (2014), Heft 11, S. 64-74.
• Oettel, V.; Empelmann, M.: Druckstrebentragfähigkeit von vorgespannten UHPFRC-Hohlkästen unter Torsion und kombinierter Beanspruchung. In: Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Heft 3, S. 182-192.
• Empelmann, M.; Oettel, V.: In a monolithic and segmental construction method – UHPFRC beams with hollow box cross-section. In: BFT International 80 (2014), Heft 2, S. 115-117.
• Oettel, V.: Faserbeton unter Torsionsbeanspruchung. In: Tagungsband zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium, Bochum, 2013, S. 315-320.
• Oettel, V.; Empelmann, M.: Feinprofilierte UHPFRC-Trockenfugen für Segmentbauteile. In: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 7, S. 487-495.
• Empelmann, M.; Oettel, V.: UHPFRC Box Girders under Torsion. In: Tagungsband zum 3rd International Symposium on Ultra-High Performance Concrete and Nanotechnology in Construction, S. 517-524, Kassel, 2012.

Innerhalb der dritten Förderperiode des Schwerpunktprogramms “Nachhaltiges Bauen mit ultrahochfestem Beton (UHFB)” (SPP 1182) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurde das Last-Verformungsverhalten dünnwandiger Bauteile mit Kreisringquerschnitt aus UHPC unter zentrischer und exzentrischer Normalkraftbeanspruchung sowie der kombinierten Beanspruchung aus Normalkraft, Biegung und Querkraft untersucht. Diese Forschungsprojekt stellt eine Erweiterung der am iBMB innerhalb der ersten beiden Förderperioden des SPP 1182 durchgeführten Arbeiten dar, in denen experimentelle und theoretische Untersuchungen an Bauteilen mit quadratischem Vollquerschnitt aus UHPC unter zentrischer und exzentrischer Normalkraftbeanspruchung durchgeführt wurden. Hierin konnten u. a. Konstruktionsempfehlungen formuliert werden, die ein robustes Bauteilversagen der UHPC-Stützen sicherstellen. Die wesentlichen konstruktiven Maßnahmen sind die Zugabe von Stahlfasern, die Erhöhung des Querbewehrungsgrades sowie der Einsatz einer hochfesten Längsbewehrung.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderdauer/Laufzeit: 2010 - 2012

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

Kurzberichte zu diesem Projekt (PDF-Datei 1 und 2)

Veröffentlichungen:

• Empelmann, M.; Müller, C., Busse, D.: Gedrungene Kreisringstützen aus ultrahochfestem Beton. In: Bautechnik 93 (2016), Heft 6, S. 345-355.
• Müller, C.; Empelmann, M.: Dünnwandige Bauteile mit Kreisringquerschnitt aus ultra-hochfestem Beton / Thin-walled Circular Hollow Building Members made of Ultra-High Strength Concrete. In: Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton / Sustainable Building with Ultra-High Performance Concrete. Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Band 22, Kassel, 2014, S. 587-599.