Post on 04-Jan-2022
transcript
Multimaterielle modulare Tübbingsysteme für einen adaptiven, robusten Tunnelausbau
Projektleiter:Breitenbücher,
Mark
Sonderforschungsbereich 837
Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Inte
rakt
ione
n
A5 Gebirgs-Bauwerksinteraktion
B2 Interaktive Entwicklung von Materialdesigns,Struktur-Material-Gesamtinteraktion
B3 Interaktion zwischen Kompressionsschicht und stauchungsfähigem Ringspaltmörtel
C3 Randbedingungen des Vortriebs
C1 Integration des Designs in globale Verformungs- und Spannungsszenarien am Gesamtmodell & Echtzeitsimulation
D1 Berücksichtigung des Ausbausystems bei Bewertung der Trassenführung
D3 Berücksichtigung des Ausbausystems beider Schadensanalyse der oberirdischen Bestandsbebauung und Rückkopplungzulässiger Verformungsgrenzen
Multimaterielle modulare Tübbingsysteme für einen adaptiven, robusten Tunnelausbau
Projektleiter:Breitenbücher,
Mark
Sonderforschungsbereich 837
Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Publ
ikat
ione
nZi
ele
Mot
ivat
ion
Normalbeton
FertigteilHochleistungs-
faserbeton
Entwicklung eines multimateriellen Tübbingausbausmit Kompressionsschichten
• Ebenenübergreifendes, robustes Design
• Entwicklung geeigneter Einbauteile/Fertigungstechniken
• Optimierung von Material und Verbundfugen
• Sensitivitätsanalysen und Robustheitsnachweise
Fertigungstechniken („frisch-an-fest“/„frisch-in-frisch“)
Verbesserung des Tübbingausbaus mittels adaptiver, robuster Designs
• Weiterentwicklung und Modularisierung hybrider Tübbingsysteme inkl. spezifischer Herstellprozesse im Realmaßstab
• Entwicklung von multimateriellen Mehrschichtsystemen zur Kompensation erhöhter Gebirgsverformungen (bis 20 cm)
• Experimentelle Nachweise auf Material-und Bauteilebene
• Verifikation der Leistungsfähigkeit im Realmaßstab (Großversuche mit Tübbings)
Entwicklung optimierter, hybrider Tübbingsysteme
Ganzheitliche Optimierung von Tübbings (Material, Bauteil, System, Prozess)• Verbesserung des Tunnelausbaus bzgl. Sicherheit, Robustheit und Dauerhaftigkeit • Modularisiertes Serienbauteil Tübbing: adaptiv im Vortriebsprozess anpassbar• Erweiterung der Einsatzfähigkeit für Tübbings bei erhöhten Gebirgsverformungen
Teilziele Phase III:
Teilziele Phase II:
Schädigungen aus Bauzuständen Verformungskompensation
Optimierter EntwurfMikro-bew.
SIFCON
System Bauteil Material
Faser-cocktailSensitivitäts-
analyse
Herstellung / Bauzustände
Kooperationen[1] BREITENBÜCHER, R.: Spezielle Anforderungen an Beton im
Tunnelbau. In: BERGMEISTER, FINGERLOOS, WÖRNER (Hrsg.): Beton-Kalender 2014. Ernst & Sohn, 2014, 391-422
[2] BREITENBÜCHER, R.; MESCHKE, G.; SONG, F.; ZHAN, Y.: Experimental, analytical and numerical analysis of the pulloutbehavior of steel fibers considering different fibre types, inclinations and concrete strengths. Structural Concrete 15 (2014), Nr. 2, S. 126-135
[3] BREITENBÜCHER, R.; SONG, F.: Experimentelle Untersuchungen zum Auszugverhalten von Stahlfasern in höherfesten Betonen. Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Nr. 1, S. 43-52
[4] GALL, V. E.; MARWAN, A.; SMARSLIK, M.; OBEL, M.; MARK, P.; MESCHKE, G.: A Holistic Aproach for the Investigation of LiningResponses to Mechanized Tunneling Induced ConstructionLoadings. Underground Space. – accepted
[5] KÄMPER, C.; PUTKE, T.; ZHAO, C.; LAVASAN, A. A.; BARCIAGA, T.; MARK, P.; SCHANZ, T.: Vergleichsrechnungen zu Modellierungsvarianten für Tunnel mit Tübbingauskleidung. Bautechnik 93 (2016), Nr. 7, S. 421-432
[6] PUTKE, T.; BOHUN, R.; MARK, P.: Experimental analyses of an optimized shear load transfer in the circumferential joints ofconcrete segmental linings. Structural Concrete 16 (2015), Nr. 4, S. 572-582
[7] PUTKE, T.; MARK, P.: Fachwerkmodellbildung mit topologischen Optimierungsverfahren. Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Nr. 9, S. 618-627
[8] PUTKE, T.; MARK, P.: Wirtschaftliches Konstruieren und Bewehren. In: BERGMEISTER, FINGERLOOS, WÖRNER (Hrsg.): Beton-Kalender 2016, Ernst & Sohn 2016, S. 695-739
[9] PUTKE, T.; SONG, F.; ZHAN, Y.; MARK, P.; BREITENBÜCHER, R.; MESCHKE, G.: Entwicklung von hybriden Stahlfaserbetontübbings – Experimentelle und numerische Analysen von der Material- bis zur Bauwerksebene. Bauingenieur 89 (2014), Nr. 11, S. 447-456
[10] SCHMIDT-THRÖ, G.; TABKA, B.; SMARSLIK, M. SCHEUFLER, A.; FISCHER, O.; MARK , P.: Experimente zur Teilflächenpressung mit vorwiegend ebener Lastausbreitung. Beton- und Stahlbetonbau (2018). – im Druck
Publikationen
Multimaterielle modulare Tübbingsysteme für einen adaptiven, robusten Tunnelausbau
Projektleiter:Breitenbücher,
Mark
Sonderforschungsbereich 837
Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Erge
bnis
se –
Phas
e II
Met
hode
n –P
hase
II
Herstellmethoden
• „Frisch-in-frisch“ Herstellung
• „Frisch-an-fest“ HerstellungFaserbeton-Einbaufertigteile mit eingeprägter Struktur und Mikrorauigkeit
Verbundverhalten hybrider Elemente Scherversuche
Versagen stets im KernbetonZugversuche
Optimierungskonzept auf mehreren Ebenen• Hybride topologische Optimierung
mit Kontinuums-Stabwerks-Systemen
• Materialspezifische Druck-/Zug-steuerung (anisotropisch, bilinear)
• Integration von Robustheit durch Mehrzieloptimierung undstochastische Ansätze
• Sensitivitätsanalysen, Antwort-flächenverfahren
Bauteilexperimente• Experimentelle Untersuchungen
von Lastübertragungsdetails unter den Aspekten: Materialeigenschaften (HLSFB, Kombinationsbewehrung), Herstellung, Bewehrungsart, -ausbildung, -orientierung, Lagerungsart, Lasteinleitung
• Quantitative Robustheits-bewertung optimierungsgestützt dimensionierter Bauteile
Optimierungskonzepte und robustes Design für hybride TübbingsGlobale Sensitivitätsanalysen auf Systemebene Hybride Topologieoptimierung auf Bauteilebene
Korrelationsmatrix
Balkenmodell
Antwortflächen Längsfugeninteraktionen N, M, ϕ Variabler Detailierungsgrad Teilflächenbelastung (Ring- und Längsfugen), quantifizierbar zur Dimensionierung
BauteilexperimenteBewehrungs-
konzepte
Oberflächen-Rissbilder
konventionell optimiert hybrid
Steigerung der Tragfähigkeit und Robustheit durch hybride Bewehrungskonzepte (Ring- / Längsfuge)• Geschweißte Bewehrungsleitern • Hybridbewehrung mit additiven Stahlfasercocktails • Mittige Lage der Dichtungsebene• Lastexzentrizitäten mit randnaher Lasteinleitung
Trag- und Verbundverhalten von hybriden Betonsystemen• Experimentelle Untersuchungen:− Teilflächenbeanspruchungen
(Ringfugen/Längsfugen)− Verbundverhalten (Scher-/
Zugversuche)− Faserorien-
tierung• Evaluierung
numerischerModelle ( B2)
Modellvergleich
Einfluss Querdehnung
Gleichzeitige Betonage mit Trennschalung
Versagensbilder (Experiment)
REF(unbewehrt)
HybridHybrid
unbewehrtSimulation
(B2)
Teilflächenbelastung
Scherrichtung Scherrichtung
Multimaterielle modulare Tübbingsysteme für einen adaptiven, robusten Tunnelausbau
Projektleiter:Breitenbücher,
Mark
Sonderforschungsbereich 837
Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Met
hode
n –
Phas
e III
Entwicklung von kompressiblen Zusatzschichten• (Primär) zementgebundene Materialkompositionen mit plastischem
Stauchvermögen (bis zu rd. 40%) durch hohe Porigkeit poröse Gesteinskörnung/Matrix sowie kompressible Zusätze
• Spannungs-Stauchungs-verhalten unter weitgehenderQuerdehnungsbehinderung
• Evaluierung vonnumerisch entwickeltenMaterialdesigns (B2)
Triaxialversuche• Gesamt-Verformungsverhalten
von Mehrschichtsystemen inklusive Ringspaltmörtel (B3)
Materialdesign zur Steuerung des Verformungsverhaltens• Einstellung des Stauchniveaus und -vermögens in Abhängigkeit
projektspezifischer & geometrischer Anforderungen• Interaktive Abstimmung von Steifigkeiten und Schichtdicken für
multimaterielle Zusatzschichten
Modularisierte, hybride Tübbings mit adaptiven, robusten Lastübertragungselementen
Multimaterielle, verformungsfähige Tübbings
Weiterentwicklung der Herstellprozesse für modulare Tübbings• Umsetzung der Herstellprozesse
(„frisch-an-fest“/„frisch-in-frisch“) für hybride Tübbings in den Realmaßstab
• Kombinierte Herstellprozessefür modulare, hybride Tübbings
• Trag- und Verbundverhaltenmultimaterieller Verbundkörper
• Erweiterung materialge-steuerter Kontinuums/ Stabwerksoptimierung auf 3D mitherstellungsbedingtenRestriktionen
Großversuchsstand für Tübbings in Realmaßstab
• Interaktives Strukturdesign zwischen Tragfähigkeit und Weichheit
• Gesamtkompressionstest• Variables Lastkonzept
(Fv ≤ 3 MN, Fh ≤ 5 MN)• Aktiv-steuerbare M-N-Interaktion
und großflächige Lasteinleitung• Tübbingversuche : (0) Referenz,
(1) hybrider Entwurf,(2) multimaterieller Tübbing
• Nachweis des Gesamtkonzepts kompressibler Ausbau (B1, B2, B3)
• Konsekutive Entwicklung von Grundmodul (3D) mit Lastübertragungselementen