Großformatige Sandwichelemente mit Deckschichten aus TextilbetonAnn-Christine von der HeidReiner GrebeNorbert WillJosef Hegger

7114. JahrgangJuli 2019, S. 476–484ISSN 0005-9900

Sonderdruck

Beton- undStahlbetonbau

© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019), Heft 7, S. 476–484 3

DOI: 10.1002/best.201900021 FACH

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FACHTHEMAAnn-Christine von der Heid, Reiner Grebe, Norbert Will, Josef Hegger

Großformatige Sandwichelemente mit Deckschichten aus TextilbetonUntersuchungen an Sandwichplattenstreifen

1 Einleitung

Stahlbeton ist aufgrund von hoher Wirtschaftlichkeit und leichter Anwendbarkeit mengenmäßig der wichtigste Bau­stoff. Durch die im Eurocode 2 [1] vorgegebenen Mindest­betondeckungen, insbesondere für Außenbauteile, können jedoch keine filigranen Querschnitte hergestellt werden. Wird die Betondeckung des Bewehrungsstahls zu gering gewählt oder nicht fachgerecht ausgeführt, kann der pH­Wert der schützenden Betonschicht auf Höhe der Beweh­rung innerhalb der Nutzungsdauer so weit herabgesetzt werden, dass eine Korrosion des Bewehrungsstahls ermög­licht wird. Für Sandwichfassaden ergeben sich durch die erforderliche Betondeckung für nichttragende Deck­schichten Stärken von ca. 80–100 mm [2]. Für dünnere Deckschichten ist der innovative Verbundwerkstoff Textil­beton prädestiniert, der keine Mindestbetondeckung für den Korrosionsschutz einhalten muss. Die erforderliche Betondeckung ergibt sich allein aus der Kraftübertragung zwischen Textil und Beton. Es können somit filigrane Bau­teile mit geringen Betonüberdeckungen ausgeführt wer­den. Das hohe Potenzial der Textilbetonweise wurde be­reits in zahlreichen erfolgreich umgesetzten Forschungs­ und Praxisprojekten aufgezeigt [3–13].

Der Einsatz von Textilbeton in Deckschichten von Sand­wichelementen bringt wirtschaftliche und ökologische Vorteile mit sich. Beispielsweise verringert sich die Menge des benötigten Betons für eine Deckschicht um ca. 70 %. Weiterhin vermindern die eingesetzten Textilbetondeck­

schichten die Gesamtdicke der Sandwichbauteile, sodass bei gleichbleibender Gebäudekubatur eine größere ver­mietbare Nutzfläche im Vergleich zu herkömmlichen Sandwichelementen aus Stahlbeton zur Verfügung steht.

Für vorgehängte Sandwichelemente mit zwei 30 mm dün­nen Deckschichten aus Textilbeton gibt es bisher keine bauaufsichtlich zugelassenen Bemessungsregeln oder Nor­men. Die Machbarkeit und Leistungsfähigkeit der Ele­ mente muss daher mit Versuchen belegt werden. Im Zuge eines Forschungsvorhabens der Initiative Zukunft Bau des BBSR (SWD­10.08.18.7­14.09) wurden Klein­ und Großkörperversuche durchgeführt. Die Ergebnisse der Großkörperversuche sowie deren Konzeption und Her­stellung im Fertigteilwerk des Industriepartners, der Hering Bau GmbH & Co. KG, werden im vorliegenden Beitrag vorgestellt.

2 Entwickeltes Element2.1 Elementaufbau

Die Grundidee für ein selbstragendes, schlankes und leis­tungsfähiges Sandwichelement besteht darin, die dicken Stahlbetonschalen durch dünne Textilbetonschalen zu ersetzen (Bild 1). Für die beiden Textilbetonschalen wur­de aufgrund von vorangegangenen Kleinkörperversuchen und langjähriger Erfahrung am Institut für Massivbau eine Dicke von 30 mm festgelegt [14, 15]. Die Betonüber­deckung der zentrisch in der Schale verlegten Textilien ist

In den vergangenen Jahren wurden in Deutschland die ener­getischen Anforderungen an die Gebäudehüllen sukzessive verschärft. Für konventionell errichtete Gebäude mit kernge­dämmten Sandwichelementen mit Deckschichten aus Stahl­beton bedeutet dies eine kontinuierliche Vergrößerung der Außenwandstärken. Um auch in Zukunft nicht auf die wirtschaft­liche Sandwichbauweise verzichten zu müssen, wurden im Zuge eines Forschungsvorhabens großformatige, leichte und energieeffiziente Elemente entwickelt. Das Untersuchungsziel war die praxistaugliche Herstellung von schlanken, großfor­matigen Sandwichelementen, deren Deckschichten aus 30 mm dünnen Textilbetonschalen bestehen. Dieser innovative Ver­bundwerkstoff ermöglicht schlanke Bauteile mit gleichzeitig hoher Tragfähigkeit.Im vorliegenden Beitrag werden der Aufbau der Elemente, die Herstellung von großformatigen Prüfkörpern sowie erste Ver­suchsergebnisse präsentiert.

Large-size sandwich elements with layers made of textile reinforced concrete – Investigations on sandwich panelsIn the last years, the energy requirements imposed on building envelopes became more stringent in Germany. For conventional constructed buildings with core­insulated sandwich elements with reinforced concrete layers, this means a continuous in­crease in outer wall thickness due to thicker insulation. In order to be able to use the economic sandwich construction method also in the future, large­format, lightweight and energy­efficient elements were developed in the course of an research project. To achieve the research objective of producing slim, large­ format sandwich elements suitable for practical use, layers of 30 mm thin textile reinforced concrete were used. This innova­tive composite material enables components with low cross­sectional thickness and high load­bearing capacity.This article presents the structure of the elements, the produc­tion of large­sized test specimens and the first experimental results.

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der Dämmstoff auf der sicheren Seite als nicht tragend angesetzt, um eine freie Wahl des Dämmstoffs, von wei­cher Mineralwolle bis zu steifem extrudiertem Polystyrol­Hartschaum (XPS), zu ermöglichen. Auch ökologische Dämmstoffe wie zum Beispiel Hanf oder Wolle können dadurch verwendet werden.

2.2 Herstellungsprozess

Im Rahmen des Projekts wurden zahlreiche kleinforma­tige Versuchskörper, die in diesem Beitrag vorgestellten Plattenstreifen sowie ein Demonstrator mit Abmessun­gen von 3,0 m × 4,5 m im Fertigteilwerk der Hering Bau GmbH & Co. KG hergestellt. Der Ablauf in der Produk­tion eines Elements aus Textilbeton ist dabei mit einem Stahlbeton­Sandwichelement mit horizontaler Fertigung vergleichbar. Nachfolgend wird daher vor allem auf die besonderen Herausforderungen während der Herstellung eingegangen.

Präzises Einschalen und Bewehren ist bei der Herstellung von filigranen Bauteilen von besonderer Bedeutung. Durch die geringe Dicke der Schalen kann eine Abweichung der Bewehrung von der Solllage schnell zu einer Steigerung bzw. Minderung der Tragfähigkeit führen [15]. Textilien neigen aufgrund der im Vergleich zu Frischbeton gerin­geren Dichte zum Aufschwimmen. Die exakte Lage der Textilien muss daher durch eine ausreichende Anzahl von nach unten und oben gerichteten Abstandhaltern sichergestellt werden. Auf das Textil abgestimmte Ab­standhalter können bei den etablierten Textilherstellern mit den Textilien bestellt werden. Damit das mittig in den Deckschichten angeordnete biaxiale 2D­Textil samt Ab­standhaltern nicht aufschwimmt, wurden bei der Herstel­lung der großen Platten Traversen als Auflast installiert (Bild 2). Die linienförmigen Verbundmittel wurden an den vorgesehenen Stellen auf dem biaxialen 2D­Textil positioniert und fixiert. Anschließend konnte der Beton aus einem Betonkübel mit integrierter Schnecke dosiert und gleichmäßig aufgebracht werden (Bild 3a)). Die Schnecke wirkte sich positiv auf das Fließmaß aus, da der Beton vor dem Ausbringen noch einmal leicht aufge­mischt wird.

ausreichend, um die Beanspruchung bis zum Versagen ohne großflächige Abplatzungen des Betons aufnehmen zu können. Beide Betonschalen sind mit einem epoxid­harzgetränkten AR­Glas­Textil (Materialkennwerte vgl. Abschn. 3.2) bewehrt. Die großformatigen Fassadenele­mente können derzeit mit einer maximalen Breite von 6,0 m und einer Höhe von 4,0 m produziert werden. Be­festigt werden die Elemente an den Geschossdecken durch Ankerpunkte. Die Grundidee stammt aus dem von der DFG geförderten Transferprojekt T07 aus dem Son­derforschungsbereich 532 [16]. Damit die dünnen Scha­len die durch die Befestigungspunkte entstehenden Span­nungskonzentrationen aufnehmen können, sind lokale Aufdickungen erforderlich.

Um die Sandwichtragwirkung des Elements zu aktivie­ren, werden die beiden Textilbetonschalen durch linien­förmige Verbundmittel gekoppelt. Die Verbundmittel neh­men dabei Schubbeanspruchungen aus dem Eigengewicht der Außenschale bei Auflagerung der Innenschale, Tem­peraturbeanspruchungen sowie aus Biegung infolge Wind auf. Das Verbundmittel besteht aus einem linienförmigen textilen Verbundgitter, welches erstmalig in [14] unter­sucht und anschließend kontinuierlich weiterentwickelt wurde [16, 17]. Um die energetischen Anforderungen an die Gebäudehülle zu erfüllen, wird der Raum zwischen den Betonschalen mit Dämmstoff aufgefüllt. Wird ein druckfester Dämmstoff aus beispielsweise Polyurethan (PUR) verwendet, kann dieser zur Verbesserung der Sandwichtragwirkung beim Lastabtrag herangezogen wer­den. Für das hier entwickelte Sandwichelement wurde

Bild 2 Herstellung des Demonstrators (Hering Bau GmbH & Co. KG)Production of the demonstrator

Bild 1 Aufbau eines Sandwichelements mit Deckschichten aus Textilbeton: a) obere Horizontalhalterung, b) lastabtragender Befestigungspunkt untenStructure of a sandwich element with facings made of textile reinforced concrete: a) upper horizontal support, b) load bearing anchor at bottom

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Beton wurden nicht gesondert untersucht, da die geringe­ren Festigkeiten des Weißbetons konservative Ergebnisse liefern. Die Eigenschaften des weißen Betons sind Tab. 1 zu entnehmen. Geprüft wurden sechs 160 × 40 × 40 mm3 große Prismen nach [19] sowie jeweils mindestens drei Zylinder mit Abmessungen von 150 mm × 300 mm nach [20] und [21].

3.2 Verbundmittel und flächige Bewehrung

Eine Herausforderung bei Sandwichelementen mit zwei 30 mm dünnen Deckschichten aus Textilbeton stellt die Ausführung des Verbundmittels dar. Konventionelle Ver­bundmittel aus dem Stahlbetonbau können aufgrund der benötigten Einbindetiefe bei 30 mm dünnen Bauteilen nicht verwendet werden. In vorausgegangenen For­schungsvorhaben [16, 17] hatten sich „linienförmige Ver­bundgitter“ als am besten geeignet erwiesen. Dabei wurde ein zweidimensionales ebenes Gelege aus Carbon als Ver­bundmittel in die beiden Schalen eingebunden, Bild 4a). Eine lokale Aufdickung sollte hierbei die Verankerung verbessern [14]. Da sich die Aufdickungen auf den Sicht­betonflächen dunkel abzeichneten, wurde das Verbund­gitter in dreidimensionaler Form hergestellt (Bild 4b)). Durch die 100 mm bzw. 200 mm langen Flansche konnte mit nur 15 mm Einbindetiefe eine ausreichende Veranke­rung der Verbundgitter in den beiden dünnen Beton­schalen hergestellt werden. Der kurze Flansch mit 100 mm Länge ermöglicht ein einfaches Einbringen des Dämm­stoffs während der Herstellung (Bild 3b)). Wie in Bild 1 zu sehen ist, werden die Rovings des Verbundgitters mit einer 45°­Ausrichtung eingebaut. Dadurch können die Rovings die durch eine Scherbelastung infolge Eigen­gewicht und Biegung entstehenden Zugkräfte effizient in axiale Richtung abtragen.

Das Verbundgitter des Herstellers solidian GmbH wurde bereits in verschiedenen Bauprojekten [22] erfolgreich verwendet und besitzt für den Einsatz in einer Sand­wichwand eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung [23]. Bisher wurde es jedoch nur in Sandwichelementen mit einer Tragschale aus Stahlbeton und einer Vorsatz­schale aus 30 mm dünnem Textilbeton verwendet. Die Zulassung ist ebenfalls auf diesen Anwendungsfall be­schränkt.

Für das Verbundgitter wurde wie auch für die flächige Be­wehrung der Schalen das epoxidharzgetränkte AR­Glas­Textil solidian GRID Q121/121­AAE­38 [24] verwendet. Das Textil weist in Kett­ und Schussrichtung den gleichen

Aufgrund der linienförmigen Verbundmittel konnte der Dämmstoff ohne weitere Zuschnitte auf den verdichteten und noch feuchten Beton aufgelegt werden (Bild 3b)). Die zwischen Dämmstoff und Verbundgitter entstehen­den Lücken wurden mithilfe von weichen Schaumstoff­streifen aufgefüllt, um später beim Betonieren ein Auslau­fen von Betonschlempe im Bereich der Verbundgitter sicher vermeiden zu können, da dies Wärmebrücken hervorruft. Nach Einbringen des Dämmstoffs und Schlie­ßen aller Zwischenräume wurde die zweite Schale analog zur ersten Schale bewehrt und betoniert (Bild 3c)).

2.3 Oberflächenbeschaffenheit

Die großformatigen Sandwichelemente wurden wäh­rend und nach der Fertigung hinsichtlich ihrer Oberflä­chenqualität untersucht. Nach dem Ausschalen zeichne­ten sich die Textilien durch dunkle Schattierungen ab. Bei der anschließenden Bearbeitung zur Erlangung einer Waschbetonoptik verlor sich dieser Effekt jedoch voll­ständig. Anhand von kleinen Musterplatten wurden auch die üblichen Oberflächenbearbeitungen für Archi­tekturbeton, wie Absäuern, Polieren und Schleifen, er­folgreich getestet, ohne dass die Lage der Textilien er­kennbar war. Als Resultat ist festzuhalten, dass die Aus­führung glatter unbearbeiteter Oberflächen bei dünnen textilbewehrten Platten nicht empfehlenswert ist. Um eine gleichmäßige Oberfläche ohne Verfärbungen und Schattierungen infolge der textilen Bewehrung zu er­halten, sollte daher stets eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt werden.

3 Materialien3.1 Beton

Für das Forschungsvorhaben wurden drei von Hering Bau entwickelte Betonmischungen mit unterschiedlicher Farbgebung (weiß, grau, anthrazit) optimiert. Aufgrund der geringen Dicke der Sandwichschalen und des Beweh­rungsrasters von etwa 40 mm wurde ein fließfähiger Beton mit einem Größtkorn von 5 mm verwendet. Die Betone sind mit der Konsistenzklasse F6 nach [18] als leicht ver­arbeitbare Betone (LVB) einzustufen, jedoch durch das Größtkorn von 5 mm nicht mehr als Normalbeton. Alle Versuchskörper wurden mit dem zuvor optimierten Beton­entwurf mit weißer Farbgebung und der Bezeichnung LVB 11/06 hergestellt. Dieser wies, nach vorangegange­nen Baustoffprüfungen, die geringsten Festigkeiten auf. Versuchskörper mit einem anthrazitfarbenen bzw. grauen

Tab. 1 Betonkennwerte nach 28 Tagen Erhärtung (Mittelwerte)Material properties of concrete after 28 days of hardening (mean values)

fcm,prism [MPa] fcm,cyl [MPa] Ecm [MPa] fctm,sp [MPa]

79 69 40.200 3,6Bild 3 Herstellungsschema: a) Betonage Schale 1; b) Einbringen Dämmstoff; c) Betonage Schale 2Manufacturing schema: a) production shell 1; b) inserting insulation; c) production shell 2

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4 Trag- und Verformungsverhalten von Sandwichplattenstreifen

4.1 Versuchsmatrix und -aufbau

Um das Trag­ und Verformungsverhalten der dünnen Ele­mente zu erforschen, wurden insgesamt sieben großfor­matige Sandwichplattenstreifen untersucht. Die Prüfkör­per wurden alle im Fertigteilwerk unter Praxisbedingun­gen hergestellt und unterschieden sich in der Prüfkörper­breite, der Anzahl bzw. Anordnung der Verbundgitter und des Dämmstoffs. Die Versuchsmatrix ist in Tab. 3 abgebildet.

Der Verbundgitterabstand wurde hierbei nicht strikt auf Grundlage der zuvor durchgeführten kleinformatigen Ver­suchskörper berechnet. Vielmehr wurde das Augenmerk auf eine möglichst einfache, schnelle und somit praxis­gerechte Fertigung gelegt. Der Abstand der Verbundmit­tel wurde auf die handelsübliche Breite der Dämmstoff­platten abgestimmt, sodass eine manuelle Anpassung der Platten entfallen konnte. Für die Versuchskörper wurde ein Verbundgitterabstand von 600 mm gewählt, was der Breite einer XPS­Dämmstoffplatte entspricht. Um den Einfluss der Verbundgitterabstände genauer untersuchen zu können, wurde ein Prüfkörper mit einem Abstand der Verbundgitter von 300 mm hergestellt.

Die hier entwickelten Sandwichelemente sollen in der Praxis maximale Abmessungen von 4,0 m Höhe und 6,0 m Breite aufweisen. Diese Abmessungen decken in Höhe und Breite im Bürobau häufig gewählte Stützen­raster sowie Geschosshöhen ab. Dementsprechend ergab sich der Auflagerabstand der großformatigen Versuche infolge der maximal möglichen Geschosshöhe zu 4,0 m. Alle Probekörper wurden aufgrund der großen Spann­weite in einem Vier­Punkt­Biegeversuch geprüft, dessen Aufbau und Abmessungen Bild 5 zu entnehmen sind. Während der Versuche konnten sich die Probekörper auf­grund von Rollenlagern am Auflager und an der Traverse frei verformen. Die Traverse selbst wurde nicht festgehal­ten, sondern lag beweglich auf dem Versuchskörper auf. Die Durchbiegung, Last, Relativverschiebung der beiden Schalen zueinander sowie die Kompression des Kernma­terials wurden mittels induktiven Wegaufnehmern konti­nuierlich aufgezeichnet. Die Belastung erfolgte wegge­steuert mit einer Geschwindigkeit von 3,0 mm/min.

4.2 Versagensformen

Während des Versuchs wurden die Rissbildung in den Schalen und die Versagensformen (Versagen der Ver­bundmittel, Deckschichtversagen, Versagen der Verbund­fuge) dokumentiert. Der Erstriss trat bei allen durch­geführten Versuchen nicht im Bereich des größten Mo­ments in Feldmitte, sondern in der Nähe der Trans­ portanker auf. Der Querschnitt wird durch die Anker maßgeblich geschwächt, sodass die Betonzugspannungen früher überschritten werden als im ungestörten Quer­schnitt in Feldmitte. Die Anker, welche mittels einer

Bewehrungsquerschnitt und Aufbau auf. Verbundgitter und Matten auf Basis des Grundmaterials Carbon sind für diesen Fall nicht erforderlich, da die Schalen im Gebrauchszustand möglichst ungerissen bleiben sollen, sodass das flächig eingebaute Textil nur gering belastet wird. Durch die Leitfähigkeit des Carbons ist eine An­wendung als Verbundgitter auch aus bauphysikalischer Sicht aufgrund entstehender Wärmebrücken weniger sinnvoll. Die Zugfestigkeiten wurden an jeweils zehn Dehnkörpern nach [15] und [25] ermittelt und können Tab. 2 entnommen werden.

3.3 Dämmstoff

Die Grundidee des Forschungsvorhabens war es, den Dämmstoff in der Tragfähigkeitsberechnung nicht anzu­setzen, um möglichst frei in der Wahl des Kernmaterials zu sein. Produktions­ und versuchsbedingt konnten die großformatigen Versuchskörper jedoch nicht ohne die unterstützende Wirkung des Dämmstoffs hergestellt werden. Um die Tragfähigkeit durch den Dämmstoff nicht signifikant zu beeinflussen, wurde aufgrund der geringen Steifigkeit Mineralwolle verwendet. Neben den Versuchskörpern mit Mineralwolle wurden zwei ausge­wählte Geometrien zusätzlich mit einem tragfähigen XPS­Dämmstoff mit einer Druckfestigkeit ≥ 300 kPa hergestellt. Dies ermöglicht eine erste Aussage über die Tragfähigkeit bei Verwendung von weichem und steifem Dämmstoff.

Bild 4 a) Querschnitt mit ebenem Verbundgitter, b) untersuchter Querschnitt mit dreidimensionalem Verbundgittera) Cross­section of a planar shear connector, b) Cross­section of the tested shear connector

Tab. 2 Materialkennwerte solidian GRID Q121/121­AAE­38Material properties solidian GRID Q121/121­AAE­38

Richtung Bewehrungs-querschnitt [mm2/m]

Achs- abstand Roving[mm]

E-ModulEtm [MPa]

Zugfestig-keitftm[MPa]

Kette 121 38 74.000 1.200

Schuss 121 38 74.000 1.300

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wolle war das Stabilitätsversagen an beiden Auflagern im Bereich der unteren Schale deutlich zu erkennen. Nach Überschreiten der Maximallast konnte als sekundäres Versagen ein Auszug der Verbundmittel aus der oberen Deckschicht festgestellt werden. Dies lässt sich auf die horizontale Relativverschiebung der beiden Schalen zu­rückführen, die durch die lokale große Durchbiegung verstärkt wird.

Bei den beiden Versuchskörpern mit XPS­Dämmstoff war die maßgebende Bruchursache der Auszug der Ver­bundgitter aus dem Beton. Angekündigt wurde das Versa­gen durch ein lokales Ablösen des Dämmstoffs von den Betondeckschichten etwa in den Viertelspunkten der Träger (Bild 6b). Infolge der horizontalen Relativverschie­bung der beiden Deckschichten bildeten sich in dem tex­

30 cm langen und 12 mm starken Gewindestange mit aufgeschraubter Hülse realisiert wurden, sind in den Vier­telspunkten der Träger eingebaut.

Unabhängig von der Art des Dämmstoffs (Mineralwolle, XPS) war bei allen Versuchskörpern ein primäres und ein sekundäres Versagen zu beobachten. Weiterhin zeigten alle Körper bei Erreichen der maximalen Prüfkraft Fmax ein duktiles Verhalten, d. h. es stellte sich ein ausgepräg­ter Nachbruchbereich mit leicht abfallender Last ein.

Versuchskörper GK­1 bis GK­5 mit Mineralwolle versag­ten primär durch ein Stabilitätsversagen der Verbundgit­ter im Auflagerbereich. Dies führte zu einer ausgeprägten Kompression der weichen Mineralwolle am Auflager, vgl. linkes Auflager in Bild 6a). Nach Entnahme der Mineral­

Bild 5 Aufbau und Messtechnik der VersucheTest setup and instrumentation for the experiments

Tab. 3 Parametervariation und Versuchsergebnisse der SandwichelementeParameter variation and test results of sandwich elements

Bezeichnung Typ Breite[mm]

Dicke Dämmstoff hk[mm]

Anzahl Verbundgitter[Stk]

Dämm material Kraft Fmax[kN]

Durchbiegung wmax[mm]

Versagen

GK-1 A 300 250 1 Mineralwolle 7,8 31,6 @ L/125 Verbundmittel (Stabilität)

GK-2 B 600 250 2 Mineralwolle 17,0 63,0 @ L/65 Verbundmittel (Stabilität)

GK-3 C 1200 250 2 Mineralwolle 17,1 45,9 @ L/85 Verbundmittel (Stabilität)

GK-4 D 1200 200 1 Mineralwolle 8,8 19,4 @ L/200 Verbundmittel (Stabilität)

GK-5 C 1200 200 2 Mineralwolle 19,4 24,3 @ L/160 Verbundmittel (Stabilität)

GK-6 D 1200 200 1 XPS 16,2 18,7 @ L/210 Verbundmittel (Auszug)

GK-7 C 1200 200 2 XPS 34,1 71,5 @ L/55 Verbundmittel (Auszug)

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Der Vergleich der Versuche GK­2 und GK­3 verdeutlicht, dass die Breite der Versuchskörper bei gleichbleibender Verbundgitteranzahl keine Auswirkung auf die maximale Prüfkraft hat, wenn das Versagen der Verbundgitter maß­gebend ist. Durch eine Verdopplung der Verbundgitteran­zahl wird auch die maximal aufnehmbare Kraft auf etwa das Doppelte gesteigert. Dies kann für alle vier Versuchs­körper mit zwei Verbundgittern bestätigt werden. Die Prüfkörper mit einer Dämmstoffhöhe hk = 200 mm wei­ sen um etwa 10 % höhere Prüflasten im Vergleich zu Pro­bekörpern mit hk = 250 mm Dämmstoffdicke auf. Die Ursache lässt sich im Versagensmechanismus der Ele­mente mit Mineralwolle finden. Alle Versuchskörper mit Mineralwolle versagten durch ein Stabilitätsversagen der Verbundgitter. Da die Mineralwolle keine horizontale Stützung der Verbundgitter erzeugt, beeinflusst die freie Länge bzw. Knicklänge der Gitter die Stabilität und somit die Lastaufnahme.

Der Einfluss des verwendeten Dämmstoffs auf das Last­Verformungsverhalten lässt sich anhand der Versuche GK­5 (Mineralwolle) und GK­7 (XPS) genauer betrachten. Beide Versuchskörper sind identisch aufgebaut und un­terscheiden sich lediglich durch den Dämmstoff. In Bild 8 sind die Last­Verformungskurven der beiden Prüfkörper abgebildet. Die Verformung wurde in Feldmitte gemessen, da dort die maximale Durchbiegung erwartet wurde.

Die maximale Prüfkraft Fmax und die Durchbiegung wmax von Prüfkörper GK­5 (Mineralwolle) liegen deutlich un­ter den Werten von GK­7 (XPS). Grund dafür ist der im Vergleich zur Mineralwolle mit einer Druckfestigkeit von s10 = 0,5 kPa wesentlich tragfähigere Dämmstoff XPS (s10 = 300 kPa), der die beiden Deckschichten unter einer Druckbeanspruchung zuverlässig auf Abstand halten kann. Das Verbundmittel wirkt ergänzend als Zugstab, sodass die Sandwichtragwirkung der beiden im Abstand liegenden Schalen wirksam werden kann. Das Versagen der Verbundmittelverankerung wird anschließend durch die Spannungen hervorgerufen, die aus der Relativver­schiebung (Dumax = 3,3 mm) zwischen der unteren und oberen Deckschicht entstehen. Diese überschreiten die Zugfestigkeit des Betons, was zu einem Ausbruchversagen der Verbundgitter führt.

tilen Verbundgitter Zug­ und Druckstreben aus. Nach dem Entfernen des Dämmstoffs konnte festgestellt wer­den, dass die druckbeanspruchten Rovings im Bereich der Auflager gebrochen waren. Eine sichtbare Schädi­gung der zugbeanspruchten Rovings sowie des Dämm­stoffs konnte für keinen der beiden Probekörper festge­stellt werden.

4.3 Versuchsergebnisse

In Tab. 3 sind die Bruchlasten und erreichten Verformun­gen der Sandwichplattenstreifen gegenübergestellt. Dabei entspricht Fmax der maximal aufgenommenen Gesamt­belastung und wmax der zugehörigen Durchbiegung in Feldmitte. Zum Vergleich der Versuche sind in Bild 7 die Bruchlasten in Abhängigkeit von Prüfkörpergeometrie, Verbundgitteranzahl und Dämmmaterial dargestellt.

Bild 6 Versagensbilder von Versuchskörper a) GK­3 und b) GK­7Failure of specimen a) GK­3 and b) GK­7

Bild 7 Prüfkraft in Abhängigkeit von der Prüfkörperbreite und Anzahl der VerbundgitterLoad depending on specimen width and number of shear connectors

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Trägerlänge unveränderten Kompression (Bild 9b)). An­schließend nimmt die Kompression unter der Lasteinlei­tung zu, wohingegen sich die Deckschichten am Auflager bei maximaler Durchbiegung voneinander entfernen. Dies führt zu dem in Abschn. 4.2 beschriebenen Ausbruch der Verbundgitter. Für den Prüfkörper mit Mineralwolle­Dämmung (Bild 9a)) verläuft der Graph der Kernkom­pression umgekehrt. Unter der Lasteinleitung wird das Verbundmittel während der gesamten Belastung auf Zug beansprucht, während es am Auflager zusammengedrückt wird. Die Zugkräfte unter der Lasteinleitung entstehen durch die zuvor beschriebene stärkere Durchbiegung der unteren Deckschicht im Vergleich zur oberen.

5 Demonstrator

An einem Großmuster wurden Konstruktion, Herstel­lung, Transport und Montage unter Praxisbedingungen erprobt. Der Prototyp sollte in eine bestehende Werkshalle der Firma Hering Bau GmbH & Co. KG mit Befesti­gungspunkten nach Bild 1 eingebaut werden, um über die Projektlaufzeit hinaus Erkenntnisse zur Nutzung des Ele­ments erlangen zu können. Die Abmessungen wurden mit 4,5 m in der Breite und 3,00 m in der Höhe durch das Gebäude vorgegeben. Das Element wurde mit einer druckfesten XPS­Dämmung ausgeführt und weist eine mittige Toröffnung von 2,28 m auf 2,60 m auf. Um eine ansprechende Außenfläche zu erhalten, wurde die Ober­fläche in insgesamt drei Arbeitsgängen abgesäuert.

Für den Transport der Elemente wurden insgesamt vier Anker eingelassen. Jeweils zwei der Anker wurden über Stahltraversen miteinander verbunden (Bild 10). Trotz mehrfachen Anhebens und Umlagern des Elements zwecks Oberflächenbehandlung und Montage konnten keine Risse oder Beschädigungen festgestellt werden. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse wurden anhand

Die in Prüfkörper GK­5 eingebauten Verbundgitter müs­sen aufgrund der weichen Mineralwolle neben den Zug­kräften ebenso die Druckkräfte aufnehmen. Durch die geringe Knicksteifigkeit der Verbundgitter und die geringe Stützwirkung der Mineralwolle ist die Druckkraftüber­tragung von oberer zu unterer Deckschicht begrenzt. Die Folge ist das lokale Eindrücken des Sandwichbauteils am Auflager. Dabei verformt sich die untere Deckschicht stärker als die obere (vgl. Bild 6a)), was horizontale Rela­tivverschiebungen in Höhe von Dumax = 19,4 mm hervor­ruft.

Die Kernkompressionen Dv der jeweilig rechten Hälfte der Prüfkörper sind in Bild 9 dargestellt. Das zuvor be­schriebene Tragverhalten der beiden Probekörper wird hier nochmal bestätigt. Bei 25 % der Maximaldurchbie­gung des Prüfkörpers mit XPS­Dämmstoff verformen sich die beiden Schalen gleichmäßig, zu sehen an der über die

Bild 8 Last­Verformungskurven der Prüfkörper GK­5 und GK­7Load deflection curves of specimen GK­5 and GK­7

Bild 9 Kernkompression in der rechten Balkenhälfte von a) GK­5 und b) GK­7 in Abhängigkeit von der maximalen Durchbiegung wmaxCore compression over the right half of the beam of a) GK­5 and b) GK­7 depending on the maximum deflection wmax

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hohe Tragfähigkeit. In der Praxis kann somit ein belie­biger Dämmstoff zwischen die zwei Betonschalen ein­gebracht werden. Bei Verwendung eines drucksteifen Dämmstoffs, wie zum Beispiel XPS, wurde eine deut liche Steigerung der Sandwichtragwirkung erreicht. In den Versuchen konnte so die maximale Traglast um etwa 75 % gegenüber einem Sandwich mit Mineralwolle er­höht werden. Die Breite der Sandwichstreifen bei gleich­bleibender Verbundgitteranzahl hatte keinen signifikan­ten Einfluss auf die Tragfähigkeit, wenn das Versagen der Verbundgitter maßgebend ist. Bei einer Verdopplung der Verbundgitter erhöhte sich auch die maximale Tragfähig­keit um ca. 100 %.

Im weiteren Verlauf werden die Ergebnisse zur Kali­brierung von nichtlinearen Finite­Elemente­Modellen herangezogen, um Parameterstudien und die Berech­nung der maximalen Traglasten von zukünftigen Ver­suchen durchzuführen. Um die Elemente in der Praxis einsetzen zu können, sind analytische Berechnungsmo­delle auf Basis der Modelle von Stamm/Witte mit den Erweiterungen von HortSmann [14] und SHamS [26] herzuleiten.

Dank

Die Autoren bedanken sich beim Bundesinstitut für Bau­, Stadt­ und Raumforschung (BBSR) für die Förderung des Projekts SWD­10.08.18.7­14.09 „Großformatige energie­effiziente Fassaden aus Textilbeton mit Sandwichtragwir­kung – Entwicklung von Herstellmethoden, Bemessungs­ und Fügekonzepten“ im Rahmen der Forschungsinitiati­ve Zukunft Bau. Weiterhin wird den Forschungspartnern, der Hering Bau GmbH & Co. KG und dem Institut für Bauforschung (ibac) der RWTH Aachen University, für die gute Zusammenarbeit gedankt.

des Demonstrators unter Praxisbedingungen erfolgreich umgesetzt.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass sich großformatige Sandwichelemente mit 30 mm dünnen Deckschichten zielsicher fertigen lassen, wenn die textile Bewehrung in ihrer Lage gesichert ist. Für Oberflächen­bearbeitungen mit bekannten Verfahren wie Absäuern, Polieren und Schleifen sind keine Einschränkungen zu erwarten.

Die Sandwichelemente mit Mineralwolle erreichten we­gen der effektiven Schubverbindung durch Verbundgitter aus AR­Glas auch bei einem weichen Dämmstoff eine

Bild 10 Demonstrator vor der Montage (Hering Bau GmbH & Co. KG)Demonstrator before assembly

Hering Architectural Concrete vereint innovative Materialkonzepte mit jahrzehntelanger Erfahrung in gestaltungsfokussiertem Betonfassadenbau.

Dies bezeugen mittlerweile zahlreiche Refe-renzen, wie beispielsweise das Probenhaus des Balletts am Rhein in Düsseldorf oder das Stammhaus der WDR mediagroup in Köln

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Hering Bau GmbH & Co. KGNeuländer 1 | D-57299 Burbach

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Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019), Heft 7 (Sonderdruck) 11

A.-Ch. v.d. Heid, R. Grebe, N. Will, J. Hegger: Large-size sandwich elements with layers made of textile reinforced concrete

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Autoren

Ann­Christine von der Heid, M.Eng.RWTH AachenLehrstuhl und Institut für MassivbauMies­van­der­Rohe­Straße 152074 Aachenavonderheid@imb.rwth­aachen.de

Dipl.­Ing. Reiner GrebeHering Bau GmbH & Co. KGNeuländer 157299 Burbachreiner.grebe@hering­bau.de

Dr. Ing. Norbert WillRWTH AachenLehrstuhl und Institut für MassivbauMies­van­der­Rohe­Straße 152074 Aachennwill@imb.rwth­aachen.de

Prof. Dr.­Ing. Josef HeggerRWTH AachenLehrstuhl und Institut für MassivbauMies­van­der­Rohe­Straße 152074 Aachenjhegger@imb.rwth­aachen.de

[18] DIN EN 206: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstel-lung und Konformität. Deutsche Fassung EN 206:2013 + A1:2016 (2017).

[19] DIN EN 196­1: Prüfverfahren für Zement – Teil 1: Bestim-mung der Festigkeit. Deutsche Fassung EN 196­1:2016 (2016).

[20] DIN EN 12390­3: Prüfung von Festbeton – Teil 3: Druck-festigkeit von Probeköpern. Deutsche Fassung EN 12390­3:2009 (2009).

[21] DIN EN 12390­13: Prüfung von Festbeton – Teil 13: Bestim-mung des Elastizitätsmoduls unter Druckbelastung (Sekan-tenmodul). Deutsche Fassung EN 12390­13:2013 (2013).

[22] KulaS, C.; JaHr, H.; Wirtgen, D.: Dünn durch Glasfaser-technologie – Eastsite VIII, Mannheim. Beton Bauteile 2016, Heft 64.

[23] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z­71.3­39: solidian Sandwichwand. Geltungsdauer: 22.05.2017–22.05.2019.

[24] solidian GmbH: Ebene Bewehrung mit Epoxidharztränkung solidian Grid Q121/121-AAE-38. www.solidian.com.

[25] SCHütze, e.; BielaK, J.; SCHeerer, S.; Hegger, J.; CurBaCH, m.: Einaxialer Zugversuch für Carbonbeton mit textiler Bewehrung. Beton­ und Stahlbetonbau 113 (2018), Heft 1, S. 33–47.

[26] SHamS, a.; Hegger, J.; HorStmann, m.: An analytical mo-del for sandwich panels made of textile-reinforced concrete. Construction and building materials 64 (2014), Nr. 14, S. 451–459.

Literatur

[1] Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-1: Allgemeine Bemes-sungsregeln und Regeln für den Hochbau. Deutsche Fassung EN 1992­1­1:2004 + AC: 2010 (2011).

[2] BaCHmann, H.; Steinle, a.; HaHn, V.: Bauen mit Beton-fertigteilen. Beton­Kalender 2009 – Teil 1: Konstruktiver Hochbau, Aktuelle Massivbaunormen, S. 151–335. Ernst & Sohn, Berlin, 2009.

[3] CurBaCH, m.; graf, W.; JeSSe, D.; SiCKert, J. u.; WeilanD, S.: Segmentbrücke aus textilbewehrtem Beton: Konstruk-tion, Fertigung, numerische Berechnung. Beton­ und Stahl­betonbau 102 (2007), Heft 6, S. 342–352.

[4] Hegger, J.; HorStmann, m.; VoSS, S.; Will, n.: Textilbe-wehrter Beton – Tragverhalten, Bemessung und Anwendung. Beton­ und Stahlbetonbau 102 (2007), Heft 6, S. 362–370.

[5] JeSSe, f.; CurBaCH, m.: Verstärken mit Textilbeton. Beton­Kalender 2010 – Teil 1: Brücken – Betonbau im Wasser, S. 457–565. Ernst & Sohn, Berlin, 2010.

[6] Hegger, J.; goralSKi, C.; KulaS, C.: Tragverhalten Schlanke Fußgängerbrücke aus Textilbeton – Sechsfeldrige Fußgänger-brücke mit einer Gesamtlänge von 97 m. Beton­ und Stahl­ betonbau 106 (2011), Heft 2, S. 64–71.

[7] Hegger, J.; KulaS, C.; raupaCH, m.; Büttner, t.: Tragver-halten und Dauerhaftigkeit einer schlanken Textilbeton- brücke – Eine 97 m lange Fußgängerbrücke mit einer Be-wehrung aus AR-Glasfilamenten. Beton­ und Stahlbeton­bau 106 (2011), Heft 2, S. 72–80.

[8] müller, f.; KoHlmeyer, C.; SCHnell, J.: Sandwichelemen-te mit Deckschichten aus Hochleistungsbeton und einem Kern aus extrudiertem Polystyrol – Experimentelle und rechnerische Untersuchung des Tragverhaltens, Nachweis-konzept. Beton­ und Stahlbetonbau 110 (2015), Heft S1, S. 799–810.

[9] SCHeerer, S.; miCHler, H.: Freie Formen mit Textilbeton. Beton­ und Stahlbetonbau 110 (2015), Heft S1, S. 94–100.

[10] papaniColaou, C. g.: Applications of textile-reinforced concrete in the precast industry. Textile Fibre Composites in Civil Engineering, Hrsg. t. triantafillou, S. 227–244, Woodhead Publishing, 2016.

[11] BloCK, p.; SCHlueter, a.; VeenenDaal, D.; BaKKer, J.; Begle, m.; HiSCHier, i.; Hofer, J.; JayatHiSSa, p.; max-Well, i.; ménDez eCHenaguCia, t.; nagy, z.; pigram, D.; SVetozareViC, B.; torSing, r.; VerBeeK, J.; Willmann, a.; lyDon, g. p.: TNEST HiLo: Investigating lightweight con-struction and adaptive energy systems. Journal of Building Engineering 12 (2017), pp. 332–341.

[12] lieBHolDt, m.; tietze, m.; SCHlaDitz, f.: C3-Projekt – Er-folgreiche Partnerschaft für Innovation im Bauwesen. Bau­ingenieur 93 (2018), Heft 7/8, S. 265–273.

[13] zani, g.; rampini, m. C.; ColomBo, m.; Di priSCo, m.: Bending behaviour of cement-based multi-layered roof ele-ments. Engineering Structures (2019), Vol. 190, S. 101–115.

[14] HorStmann, m.: Zum Tragverhalten von Sandwichkonstruk-tionen aus textilbewehrtem Beton. Dissertation (2010).

[15] rempel, S.: Zur Zuverlässigkeit der Bemessung von biege-beanspruchten Betonbauteilen mit textiler Bewehrung. Dis­sertation (2018).

[16] SHamS, a.: A novel approach for the production and design of load-carrying sandwich panels with reinforced concrete facings. Dissertation (2015).

[17] StarK, a.; KuereS, D.; Hegger, J.: Sandwichelemente mit UHPC-Deckschichten und geschäumten PUR-Kernschich-ten. Beton­ und Stahlbeton 111 (2016), Heft 12, S. 816–827.

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