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4. Jahrestagung des DAfStb – Braunschweig – 16. und 17. November 2016

Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton

Jörn Remitz, Marcel Wichert

Technische Universität Braunschweig, iBMB, Fachgebiet Massivbau

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Schleuderbeton

Herstellung von Schleuderbeton

• Zweiteilige Stahlschalung mit Laufringen

• Einlegen des vorgefertigten Bewehrungskorbes

• Einbringen des Betons und Schließen der Schalung

• Rotation der Schalung auf einer Schleuderbank

Wesentliche Vorteile von Schleuderbeton

• Sehr dichte Gefügestruktur

• Glatte Betonoberfläche

• Hohe Druckfestigkeit

• Hohe Dauerhaftigkeit

Schleuderbeton in Kombination mit UHPC:

UHPSC = Ultra High Performance Spun Concrete

• Weitere Verringerung der Porosität

• Steigerung der Festigkeit

• Verbesserung der Dauerhaftigkeit

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Einsatzgebiete und Anwendungen

Werbemast Dodenhof,

Kaltenkirchen

Anwendungsbeispiele sind u. a.:

• Hochbaustützen

• Werbemasten

• Freileitungsmasten

• Masten von Windenergieanlagen

Waldwipfelweg, Bayrischer Wald Freileitungsmast, Bad Kötzting

(Bilder Europoles)

Lufthansa Aviation Center, Frankfurt

• Beleuchtungsmasten und Masten für die

Verkehrsbeschilderung

• Gründungs- und Fachwerkstrukturen

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Forschungsvorhaben

Verbundforschungsvorhaben:

„Kompakthöchstspannungsmasten und -traversen (KoHöMaT)“

Untersuchungen zu den Eigenschaften des UHPSC

Untersuchungen zum Tragverhalten von Schleuderbetonmasten

• aus UHPSC und hochfester Bewehrung

• unter kombinierter Biege- und Querkraftbeanspruchung

• unter kombinierter Biege-, Querkraft- und Torsionsbeanspruchung

Untersuchungen zu Verbindungs- und Fügetechniken von Schleuderbetonmasten

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0

200

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1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0 20 40 60 80 100

Sp

an

nu

ng

σs

[N/m

m²]

Dehnung εs [‰]

St1660/1860 - Ø0,5"

SAS670 - Ø28

B500B - Ø32

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-3,5-3,0-2,5-2,0-1,5-1,0-0,50,0

Sp

an

nu

ng

σc

[N/m

m²]

Stauchung εc [‰]

Probe 1

Probe 2

Probe 3

Materialuntersuchungen

Eigenschaften des UHPSC

• Druckfestigkeit: 𝑓cm ≈ 140 ÷ 150 N/mm²

• Bruchdehnung: 𝜀cu ≈ 3,0‰

• Elastizitätsmodul: 𝐸cm ≈ 58.500 N/mm²

Eigenschaften der Bewehrung

• Spannstahllitzen St1660/1860 (0,62“ und 0,5“)

• Betonstahl B500B und SAS670

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Konfiguration Biegeversuche

Material und Vorspannung VK-B0 VK-B1 VK-B1-K VK-B2-K

Beton C80 C140 C140 C140

Spannstahllitzen 36 0,5”

(33,5 cm²)

64 0,5”

(59,5 cm²)

40 0,62”

(60,0 cm²)

22 0,62”

(33,0 cm²)

Betonstahl (Längsbewehrung)

Streckgrenze As · fyk [MN]

B500

26 32

10,5

B500

26 32

10,5

SAS670

25 28

10,3

SAS670

27 22

6,9

Vorspannung 1.360 N/mm²

Ausnutzung des Betons σc,p0/fck 0,19 0,19 0,19 0,14

Versuchskörper unter kombinierter Biege- und Querkraftbeanspruchung

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Durchführung Biegeversuche

Versuchsaufbau

• Horizontaler Versuchsaufbau auf dem

Firmengelände von EUROPOLES

• Krafteinleitung ins Fundament über

Stahlfußplatten und Anschlussbewehrung

• Belastung mit hydraulische Presse am

Mastzopf

• Rollenlager im oberen Drittelpunkt zur

vertikalen Unterstützung

Versuchsdurchführung

• 10 Be- und Entlastungszyklen auf

Gebrauchslastniveau

• Stufenweise Belastung bis zur Traglast

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Versagen Biegeversuche

VK-B0

C80; B500; 0,5“-Litze

VK-B1

C140; B500; 0,5“-Litze

VK-B1-K

C140; S670; 0,62“-Litze

VK-B2-K

C140; S670; 0,62“-Litze

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0

100

200

300

400

500

600

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00

Last

[kN

]

Kopfauslenkung [m]

VK-B0 - EXPVK-B0 - FEMVK-B1 - EXPVK-B1 - FEMVK-B1-K - EXPVK-B1-K - FEMVK-B2-K - EXPVK-B2-K - FEM

extrapoliert

0

100

200

300

400

500

600

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00

Last

[kN

]

Kopfauslenkung [m]

VK-B0

VK-B1

VK-B1-K

VK-B2-K

extrapoliert

Auswertung Biegeversuche

Be- und Entlastungszyklen

• Nach Entlastung wurden die Risse geschlossen

und der Versuchsträger kehrte in seine

Ausgangsposition zurück

Belastung bis zur Traglast

• Plötzliches Betondruckversagen nach Erreichen

der Fließgrenze der Betonstahllängsbewehrung

• „Schollenartige“ Betonabplatzungen bei VK-B2-K

• Traglaststeigerung von ca. 30 % bei

Verwendung von ultrahochfestem Beton

• Keine signifikante Veränderung im Trag- und

Verformungsverhalten zwischen den unter-

schiedlichen Bewehrungskonzepten

Bei Verwendung von SAS670 geringere

Menge an Bewehrung erforderlich

Verwendung von 0,62“-Litzen möglich

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Konfiguration Torsionsversuche

Versuchskörper unter kombinierter Biege-, Querkraft- und Torsionsbeanspruchung

Material und Vorspannung VK-T0 VK-T1 VK-T1-K VK-T2-K

Beton C80 C140 C140 C140

Spannstahllitzen 12 0,5”

(11,2 cm²)

24 0,5”

(22,3 cm²)

14 0,62”

(21,0 cm²)

14 0,62”

(15,8 cm²)

Betonstahl (Längsbewehrung)

Streckgrenze As · fyk [MN]

B500

30 20

4,7

B500

24 20

3,9

SAS670

22 18

3,8

SAS670

28 18

4,7

Vorspannung 1.360 N/mm²

Ausnutzung des Betons σc,p0/fck 0,12 0,14 0,14 0,12

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Durchführung Torsionsversuche

Versuchsaufbau

• Horizontaler Versuchsaufbau auf dem

Firmengelände von EUROPOLES

• Krafteinleitung ins Fundament

über Stahlfußplatten und Anschluss-

bewehrung

• Exzentrische Belastung am Mastzopf

über eine Traverse

• Rollenlager auf Höhe der Lasteinleitung

zur vertikalen Unterstützung

Versuchsdurchführung

• 10 Be- und Entlastungszyklen auf

Gebrauchslastniveau

• Stufenweise Belastung bis zur Traglast

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VK-T2-K

C140; S670; 0,62“-Litze

Versagen Torsionsversuche

VK-T0

C80; B500; 0,5“-Litze

VK-T1

C140; B500; 0,5“-Litze

VK-T1-K

C140; S670; 0,62“-Litze

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0

50

100

150

200

250

300

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Last

[kN

]

Kopfauslenkung [m]

VK-T0 - EXPVK-T1 - EXPVK-T1 - FEMVK-T1-K - EXPVK-T1-K - FEMVK-T2-K - EXPVK-T2-K - FEM

extrapoliert

mit Öffnung

0

50

100

150

200

250

300

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Last

[kN

]

Kopfauslenkung [m]

VK-T0

VK-T1

VK-T1-K

VK-T2-K

extrapoliert

mit Öffnung

Auswertung Torsionsversuche

Belastung bis zur Traglast

• Plötzliches Betondruckversagen nach Erreichen

der Fließgrenze der Betonstahlquerbewehrung

• „Schollenartige“ Betonabplatzung bei VK-T2-K

• Gleichwertiges Tragverhalten der verschiedenen

Bewehrungskonzepte kann bestätigt werden

• Nachrechnung mittels FEM ergibt eine gute

Übereinstimmung

• Abweichung zwischen experimenteller und

rechnerischer Traglast bei VK-T2-K kann auf die

schollenartigen Betonabplatzungen infolge des

hohen Bewehrungsgrades im Bereich der

Stahlfußplatte zurückgeführt werden

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Zapfenverbindung

Verbindungselement zwischen UHPSC-Mast und

Gründung sowie zwei Mastsegmenten

Einfaches und schnelles Errichten am Aufstellort

Verbindungszapfen

• Ortbeton mit Vollquerschnitt

• UHPSC mit Kreisringquerschnitt

Vermörtelte Fuge zur kraftschlüssigen Verbindung

und zum Ausgleich von Bautoleranzen

Profilierung auf der Außenseite des Zapfens Waldwipfelweg, Bayrischer Wald (Europoles)

Stütze Moschee Algier (Europoles)

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Grenzfall 2: Lastabtrag über eine schubfeste

Verbundfuge

Wenn Tragfähigkeit des Mörtels

ausreicht

Verbindung verhält sich wie ein

monolithisches Bauteil

Bestimmung der Fugentragfähigkeit

mit Push-Through-Versuchen

Tragverhalten der Zapfenverbindung

Grenzfall 1: Lastabtrag über ein horizontales

Kräftepaar

Wenn Tragfähigkeit des Mörtels erreicht

oder Steifigkeit des Zapfen zu gering ist

Führt zu hoher Querkraftbeanspruchung

im Mast

Bestimmung der Fugentragfähigkeit

mit Schub-Druck-Versuchen

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Durchführung Schub-Druck-Versuche

Materialien analog zu Großversuchen

• Mast-Teil: Ultrahochfester Beton

• Zapfen-Teil: Normalfester Beton

• Fuge: Hochfester Vergussmörtel, Profilierung mit Noppenfolie

Getrennte Herstellung der Versuchskörperhälften (Zapfen- u. Mast-Teil)

Nachträgliche Herstellung der Mörtelfuge

Variation der Fugenneigung α (0°, 10°, 20°, 30°, 47,5°, 50° und 55°)

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0

400

800

1200

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Kra

ft [

kN

]

Weg [mm]

SD-1.00 VSD-1.10 VSD-1.10 FSD-1.20 VSD-1.20 FSD-1.30 FSD-1.30 V

α ≥ 47,5° Schubbruch: Versagen an glatter Fugengrenzfläche

α ≤ 30° Druckbruch: Versagen im Zapfen-Teil; unbeeinflusst von Fuge

Ergebnisse Schub-Druck-Versuche

0

400

800

1200

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Kra

ft [

kN

]

Weg [mm]

SD-1.47,5 FSD-1.47,5 VSD-1.50 FSD-1.50 VSD-1.55 FSD-1.55 V

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Durchführung Push-Through-Versuche

Materialien analog zu Großversuchen

• Mast-Teil: Ultrahochfester Schleuderbeton

• Zapfen-Teil: Normalfester Beton

• Fuge: Hochfester Vergussmörtel,

Profilierung mit Noppenfolie

Nachträgliche Herstellung der Mörtelfuge

Variation der Einbindetiefe LE (200, 300, 400 mm)

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Ergebnisse Push-Through-Versuche

Traglasten steigen mit zunehmender Einbindetiefe

Last fällt schlagartig bei Erstriss im Mast-Teil

Aufnehmbare Last nach Erstriss beträgt ca. 42 %

der Traglast

Max. Schubspannungen in den Versuchen

vergleichbar (τmax ≈ 6,3 N/mm²)

Schubspannungsverlauf nach Erstriss nahezu

konstant

Versagen an profilierter Grenzfläche

0

500

1000

1500

2000

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Kra

ft [

kN

]

Weg [mm]

F.1-1F.1-2F.1-3

0,0

2,0

4,0

6,0

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

Sc

hu

bs

pa

nn

un

ge

n [

N/m

m²]

Weg [mm]

F.1-1F.1-2F.1-3

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Konfiguration Zapfenversuche

Mast

VK-B3-K

Zapfen

VK-Z3-K

Mast

VK-B4-K

Zapfen

VK-Z4-K

Abmessungen:

Bauteillänge 26,1 m 2,8 m 26,1 m 2,8 m

Außendurchmesser Fuß 1,780 m 1,452 m 1,780 m 1,440 m

Außendurchmesser Zopf 1,260 m 1,402 m 1,260 m 1,440 m

Wandstärke Fuß/Zopf 130 mm/100 mm 200 mm/200 mm 130 mm/100 mm -

Material:

Beton C140 C50

Spannstahllitzen 60 0,62“

(90,0 cm²)-

Betonstahl (Längsbewehrung

Zapfenbereich)

SAS670

12 35

B500

90 28

SAS670

12 35

B500

127 32

Betonstahl (Querbewehrung

Zapfenbereich)

B500

12/5; 2x4 20/7 12/7 12/5; 20/4 25/7

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Durchführung Zapfenversuche

Versuchsaufbau analog zu Biegeversuchen

• Krafteinleitung ins Fundament über Zapfen, der mit Stahlfußplatten mit dem

Versuchsstand verbunden ist

• Mast und Zapfen werden vor Prüfung gefügt und vermörtelt

Versuchsdurchführung

• Belastung 1: 10 Be- und Entlastungszyklen auf Gebrauchslastniveau

• Belastung 2: Stufenweise Belastung bis ca. 450 kN

• Belastung 3: Stufenweise Belastung bis zur Traglast

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Versagen Zapfenversuche

VK-B3/Z3-K

Duktiles Versagen des Masts

Ankündigung des Versagens durch

Aufreißen des Mastquerschnitts im

Verbindungsbereich

VK-B4/Z4-K

Schlagartiges Versagen des Masts in der

Druckzone oberhalb der Verbindung

Versagen ohne Vorankündigung

Gleichmäßig verteilte Biegezugrisse

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Auswertung Zapfenversuche

VK-B3/Z3-K

Lastabtrag entsprechend Grenzfall 1

Querbewehrung im Mast erreicht

Streckgrenze durch hohe Beanspruchung

Deutlichen Zunahme der Kopfauslenkung

ohne Laststeigerung

Druckzone nicht ausgenutzt

VK-B4/Z4-K

Lastabtrag entsprechend Grenzfall 2

Biegedruckzone versagt bei Erreichen

der Traglast

Keine weitere Verformung möglich

Querbewehrung im Mast nicht vollständig

ausgenutzt

0

200

400

600

800

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

Kra

ft [

kN

]

Kopfauslenkung [mm]

Belastung 1Belastung 2Belastung 3

0

200

400

600

800

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

Kra

ft [

kN

]

Kopfauslenkung [m]

Belastung 1Belastung 2Belastung 3

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16.11.2016 | Jörn Remitz, Marcel Wichert | Masten und Rohrprofile aus Schleuderbeton | Seite 24

Traglaststeigerung durch den Einsatz von ultrahochfestem Schleuderbeton (UHPSC)

Reduzierung der Betonstahlmenge durch den Einsatz von SAS670 möglich

Schlagartiges Betondruckversagen nach Erreichen der Fließgrenze der

Betonstahlbewehrung (starke Rissbildung und große Verformungen)

Lastabtrag innerhalb einer Zapfenverbindung ist stark abhängig von

• Tragfähigkeit der Verbundfuge

• Querbewehrungsgrad des Masts

• Steifigkeit des Zapfens

Monolithisches Verhalten der Zapfenverbindung im Falle einer schubfesten

Verbundfuge

Andernfalls hohe Querkraftbeanspruchung des Masts im Verbindungsbereich

äußerst duktiles Versagen möglich

Zusammenfassung

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Ende

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Vielen Dank für die Unterstützung und Zusammenarbeit:

Jörn Remitz, M.Sc.

mail: [email protected]

Marcel Wichert, M.Sc.

mail: [email protected]

Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann

mail: [email protected]