TUNNEL 2011 01 Stahlfaserbeton-Tuebbinge S.14-24

7242019 TUNNEL 2011 01 Stahlfaserbeton-Tuebbinge S14-24

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14 Steel-fibre-reinforced segmental linings Tunnel 12011

Stahlfaserbeton-TuumlbbingeStand der Technikund realisierte ProjekteStahlfaserbeton findet im Tunnelbau ein weites

Einsatzfeld Der folgende Beitrag ist ein Vor-

trag der auf den 2 Herrenknecht Formwork

Technology Days Anfang Maumlrz 2011 gehaltenwurde Er gibt den derzeitigen Stand der Tech-

nik bei der Verwendung von Stahlfaserbeton

fuumlr Tuumlbbinge wieder und zeigt einige Einsatz-

beispiele auf

Dieter Hansel Bekaert GmbH Verkaufsleiter Bauprodukte EMEARheda-Wiedenbruumlck GermanyDipl-Ing Philipp Guirguis Bekaert GmbH Technischer Leiter BauprodukteFriedrichsdorf Germany

wwwbekaertcombuilding

1 EinfuumlhrungIn den 1970er Jahren erstma-

lig in den europaumlischen Markt

eingefuumlhrt lagen fuumlr den Bau-

stoff bdquoStahlfaserbetonldquo weder

Normen noch Richtlinien zur

Bemessung vor Anfaumlnglich

wurde Stahlfaserbeton als Er-

satz konstruktiver Bewehrung

oder in der Kombination mit

herkoumlmmlichem Betonstahl

eingesetzt um den Gebrauchs-

zustand von Bauteilen positiv

zu beeinflussen Nach gewon-

nener Erfahrung mit diesem

Baustoff wurden national undinternational fuumlr vielseitige An-

wendungsgebiete bedeutende

Schritte auf dem Normengebiet

eingeleitet um fundierte Hilfs-

mittel zur Bemessung Pruumlfung

Herstellung und Ausfuumlhrung

von Stahlfaserbeton bereitzu-

stellen

Im Tunnelbau findet Stahl-

faserbeton ein hervorragendes

Einsatzgebiet Die haumlufig vor-

handene Schnittgroumlszligenkom-bination aus hohen Druck-

normalkraumlften und relativ

geringen Biegemomenten

einer Tunnelschale laumlsst sich

vorwiegend mit den Materi-

aleigenschaften des Stahlfa-

serbetons allein bewaumlltigen

Der Materialwiderstand gegen

konzentrierte Lasteinleitungen

sorgt fuumlr einen deutlich gerin-

gen Wartungsaufwand Der

Einsatz dieses Werkstoffes fuumlhrt

zu bauverfahrenstechnischen

Vorzuumlgen und zur Beschleuni-

gung des Bauablaufs Die Be-reitschaft fuumlr den Einsatz von

Stahlfaserbeton im Tunnelbau

steigt mit der Flexibilitaumlt die

die Verwendung des Baustof-

fes ermoumlglicht und den Kosten

die gegenuumlber einer herkoumlmm-

lichen Konstruktionsloumlsung aus

Stahlbeton eingespart werden

Im Vergleich zu internationalen

Aktivitaumlten liegen in Deutsch-

land viel zu selten Referenzpro-

jekte mit Stahlfaserbeton alsdauerhaft tragende Sicherung

vor Technologisch ist dies voumlllig

unbegruumlndet da sowohl the-

oretische als auch praktische

Steel-fibre-reinforcedsegmental liningsState-of-the-art andcompleted projectsSteel-fibre-reinforced concrete is a material wi-

dely used in tunnel engineering The following

article is to presented as a paper at the Second

Herrenknecht Formwork Technology Days inearly March 2011 It examines the current state-

of-the-art in the use of steel-fibre-reinforced

concrete for segmental linings and outlines a

number of practical examples

1 IntroductionUpon the appearance of steel-

fibre-reinforced concrete on the

European market in the 1970s

neither standards nor guidelines

for the design and dimensio-

ning of this new material were

available Steel-fibre-reinforced

concrete was initially used as a

substitute for nominal reinforce-

ment or in combination withconventional reinforcing steel

in order to enhance the service-

ability of concrete structures

Once experience with this buil-

ding material had been gained

significant progress was made in

terms of codes and guidelines

both nationally and internati-

onally and for a large range of

diverse applications in order to

provide well-founded aids for

the design testing productionand installation of steel-fibre-re-

inforced concrete

Steel-fibre-reinforced con-

crete finds one of its most pro-

minent applications in tunnel

construction The frequently en-

countered stress-resultant com-

bination of high compressive

forces and relatively low ben-

ding moments in a tunnel lining

can predominantly be matched

by using the material properties

of steel-fibre-reinforced concre-

te only The materiallsquos resistance

against concentrated loads as-

sures a remarkably low main-

tenance costs The use of this

material simplifies the construc-

tion process and accelerates the

speed of execution Interest inthe use of steel-fibre-reinforced

concrete in tunnel construction

is rising as a result of the flexibi-

lity which the use of this materi-

al permits and the cost-savings

achieved compared to the use

of conventional reinforced-con-

crete solutions Assessment at

international level indicates

that reference projects using

steel-fibre-reinforced concrete

as a permanent load-bearingsupport element remain far

too rare in Germany There is

no technological justification

for this omission in view of the



Stand der Technik 15State-of-the-artTunnel 12011

Erfahrungen vorliegen Mit der

Einfuumlhrung der DAfStb-Richt-linie Stahlfaserbeton [2] liegt

zukuumlnftig in Deutschland ein

umfangreiches Regelwerk mit

Normencharakter vor

2 Vorzuumlge und Mate-rialeigenschaften desStahlfaserbetonsStahldrahtfasern werden dem

Beton zugemischt um - neben

einer Traglasterhoumlhung - die

mechanischen Eigenschaftenauf bestimmten Gebieten zu

verbessern Zu den maszligge-

benden Eigenschaften die

durch die Zugabe von Stahl-

drahtfasern deutlich verbessert

werden zaumlhlen

bull Duktilitaumltssteigerung unter

Zug und Druck

bull erhoumlhte Schlagfestigkeit

bull verbessertes Ermuumldungsver-

halten

bull geringere Abplatzneigung

bull erhoumlhte Dauerhaftigkeit

bull geringere Rissbreiten im Ge-

brauchszustand

bull Biegetragfaumlhigkeit in allen

drei Raumrichtungen

Der Ersatz herkoumlmmlicher Be-

wehrung durch Stahlfasern bie-

tet Kosteneinsparungspotenzi-

ale bei den Bewehrungsarbeiten

(Anfertigung Lagerung Einbauder Bewehrungskoumlrbe) und er-

houmlht die Flexibilitaumlt zB bei Pla-

nungsaumlnderungen

3 Einsatzbereiche vonStahlfaserbeton imTunnelbauDie Einsatzmoumlglichkeiten von


sind vielfaumlltig Hieraus resultiert

auch die Vielzahl existierender

Anwendungsvarianten Zu-naumlchst gilt die Betrachtungswei-

se des angewandten Tunnelbau-

verfahrens indem zwischen

der Spritzbetonbauweise und

dem maschinellen Tunnelbau

unterschieden wird Ferner isteine Gliederung der verwen-

deten Konstruktion moumlglich

durch Differenzierung zwischen

der einschaligen und zweischa-

ligen Bauweise Stahlfaserbeton

findet in allen vorgenannten Va-

rianten seinen Einsatz

Bei Verwendung von Stahl-

faserspritzbeton werden die

Stahlfasern der Ausgangsmi-

schung des Spritzbetons beige-

mischt Im Spritzbetonverfahrendominiert der entscheidende

Vorteil des Verzichtes auf den

Arbeitsschritt bdquoEinbau der Be-

wehrungldquo Nicht nur die Bauzeit

wird verkuumlrzt sondern auch die

fruumlhzeitige Aktivierung der Erst-

sicherung des Gebirges beson-

ders wichtig unter geologisch

schwierigen Bedingungen wird

sichergestellt Durch das schnel-

le Auffahren der Erstsicherung

und der hohen Gruumlnstandfestig-

keit des Stahlfaserspritzbetons

werden Gebirgsauflockerun-

gen vermindert damit ein-

hergehend der Gebirgsdruck

reduziert und ein bedeutend

guumlnstigerer Spannungszustand

wird erzielt

Im maschinellen Tunnelbau

werden in der Regel Tuumlbbinge

eingesetzt die im Werk ge-

fertigt und an den Einbauorttransportiert werden Hinter der

Schildmaschine werden diese

als Sicherung eingebaut und

ergeben einen geschlossenen

Kreisring der bei einschaliger

Auskleidung auch nicht weiter

ergaumlnzt wird Belastungszustaumln-

de infolge Ausschalen (Bild 1)

Lagerung und Transport lassen

sich mit dem Werkstoff Stahl-

faserbeton in der Regel ohne

weitere Zusatzbewehrung be-messen Die Biegespannungen

sind in der Regel gering Der

Vorteil der sich bereits hier bei

der Verwendung von Stahlfa-

fact that both theoretical and

practical experience is availableWith the introduction of the

German Guideline bdquoSteel fibre

reinforced concreteldquo [2] by the

German Committee of structu-

ral concrete (DAfStb) an exten-

sive tool with full character of

a standard will be provided for

Germany

2 The advantages andmaterials properties of

steel-fibre-reinforcedconcreteSteel fibres are mixed into the

concrete in order not only to

achieve an increase in load-bea-

ring capacity but also to improve

mechanical properties in specific

areas Decisive properties which

are significantly improved by the

addition of steel wire fibres in-

clude

bull Ductility in tension and in

compression

bull Impact resistance

bull Fatigue resistance

bull High resistance against spal-

ling

bull Durability

bull Low crack widths under ser-

vice conditions

bull Flexural strength in all three

directions

The replacement of conven-tional reinforcement by steel

fibres also assures cost-savings

potentials for reinforcement

work (production storage and

installation of the reinforcement

cages) and enhances flexibility

in case for example of project

modifications

3 Applications forsteel-fibre-reinforced

concrete in tunnelengineering The potential uses for steel-fib-

re-reinforced concrete in tunnel

construction are many and di-

verse This naturally is also the

reason behind the large number

of existing application variants

Tunnel-construction methodo-

logy which now differentiates

between shotcreting and me-

chanised tunnelling should firstly

be examined Further more it can

be distinguished between sing-

le-shell and double-shell types

Steel-fibre-reinforced concrete is

used in all these variantsIn the case of steel-fibre-re-

inforced concrete for shotcrete

the steel fibres are added to the

basic shotcrete concrete mix

The decisive advantage of the

ability to omit the bdquoinstallation

of reinforcementldquo operation is

the predominant benefit of the

shotcrete method Not only is

completion time foreshortened

early activation of initial ground

support - a factor particularlycritical under difficult geological

conditions - is also assured Early

application of the initial support

combined with the strength of

Belastungszustand eines Tuumlbbingsdurch Ausschalen

Load state of a segmental liningcaused by removal from the formwork

1



16 Stahlfaserbeton - Tuumlbbinge Tunnel 12011

serbeton ergibt ist ersichtlich

Es entstehen keine Kosten in-

folge Vorhalten und Lagerung

der Bewehrungskoumlrbe Beweh-

rungsarbeiten entfallen und

der Ausfuumlhrungsprozess wird

beschleunigt (Bild 2 3)

Fugen stellen ganz beson-

ders kritische Bereiche dar In-

folge Transport und waumlhrend

des Einbaus treten haumlufig Ab-

platzungen auf die bei Verwen-

dung einer entsprechenden

Betonstahlbewehrung durch

Einhaltung der Betondeckung

nicht verhindert werden (Bild 4)

Fuumlhren Abplatzungen zu einer

Wasserwegigkeit wird die Ge-

brauchstauglichkeit beeintraumlch-

tigt Der Vorteil von Stahlfaser-

beton-Tuumlbbingen gegenuumlber

konventionell bewehrtem Be-

ton sind die mit Stahlfasern

durchsetzten und vernadelten

sonst so gefaumlhrdeten Eck- und

Kantenbereiche Ist die Tragfauml-

higkeit durch die Stahlfasern

allein gesichert kann komplett

auf konventionelle Bewehrung

verzichtet werden Im Brandfall

fuumlhren die Stahlfasern dazu dass

keine Oberflaumlchenschichten ab-

fallen Bei einer Kombinations-

bewehrung zum Beispiel waumlre

die Betonstahlbewehrung bes-

ser geschuumltzt

4 Wirkungsweise undTragwirkung im TuumlbbingEine wesentliche Eigenschaft

des Stahlfaserbetons ist sein

duktiles Materialverhalten undseine Faumlhigkeit im gerissenen

Zustand eine Kraftuumlbertragung

uumlber den Riss hinweg sicherzu-

stellen Von besonderer Bedeu-

tung ist dass Stahlfaserbeton

mit uumlblichen Fasergehalten ei-

ner unterkritischen Bewehrung

entspricht Seine Anwendung

findet er daher vorwiegend in

Bauteilen die eine Schnittkraf-

tumlagerung und damit Mehr-

fachrissbildung zulassen (sta-tisch unbestimmte Bauteile)

Tunnel sind in hohem Maszlige

statisch unbestimmte Systeme

Die Belastungskombination aus

Typische Bewehrungsarbeiten bei herkoumlmmlich bewehrten Tuumlbbingen

Typical reinforcement work for conventionally reinforced lining segments

Typische Verlegearbeiten bei herkoumlmmlich bewehrten Tuumlbbingen

Typical installation work using conventionally reinforced lining segments


at young age reduces ground

disintegration phenomena and

as a corollary also overburden

pressure achieving a significant-

ly better stress state

Factory-produced segmen-

tal lining transported to the

site are generally used in me-

chanised tunnel construction

These segments are installed

as support behind the shield

machine and produce a closed

annular ring which in the case

of single-shell lining is also not

further supplemented Using

steel-fibre-reinforced concre-

te load states resulting from

formwork removal (Figure 1)

storage and transportation can

generally be taken up withoutany additional reinforcement

The bending stresses occurring

are generally low The advan-

tage of the use of steel-fibre-re-

inforced concrete here is alrea-

dy obviously there are no costs

resulting from the provision

and storage of reinforcement

cages no reinforcement work is

necessary and the entire wor-

king process is thus accelerated

(Figures 2 and 3)Joints are particularly critical

points Spalling phenomena are

caused by transportation and

mainly by installation and can-

not be prevented when tradi-

tional reinforcement is used as

a certain concrete cover needs

to be provided to protect from

corrosion risks (Figure 4) Ser-

viceability is negatively affected

if such spalling results in water-

permeability The advantage of


segments over conventional re-

inforced concrete is that fibres

are dispersed all over the sec-

tion and hence the concrete is

also there needled where those

critical corner and edge zones

are to be found Conventional

reinforcement can be omitted

entirely in cases in which load-

bearing capacity is assured by

the steel fibres alone If a fire

occurs the steel fibres preventthe peeling off of surface lay-

ers And in case of combination

reinforcement for example the

rebar reinforcement is better

protected

4 Effectiveness insegmental liningsEssential properties of steel-fi-

bre-reinforced concrete are its

ductile material behaviour and

its ability in case of cracking toassure load transfer across the

crack Of particular importance

is the fact that steel-fibre-rein-

forced concrete with usual fibre

Konzentrierte Lasteinleitungdurch TBM

Concentrated load causedby a TBM

2 3




Biegemoment und Drucknor-

malkraft ist fuumlr die Bemessungim Endzustand ausschlagge-

bend Je steifer die Systeme

desto anziehender wirken sie

auf Biegemomente Je houmlher

die auftretenden Momente

desto houmlher der erforderliche

Bewehrungsgrad Biegeweiche

Systeme hingegen tragen die

Belastung vorwiegend durch

Normalkraumlfte ab Die Forderung

nach biegeweichen Systemen

im modernen Tunnelbau fin-det somit ihre Begruumlndung Im

Gegensatz zu steifen Systemen

erfolgt durch die Verformung

der Schale eine verstaumlrkte Akti-

vierung der Eigentragwirkung

des Gebirges Die von der Si-

cherung (Tuumlbbingringe) aufzu-

nehmenden Kraumlfte sind daher

bei duktilen Systemen geringer

Die Materialeigenschaften des

Stahlfaserbetons eignen sich

auf zweifache Weise um der

geforderten Tragfaumlhigkeit zu

entsprechen

1 Erhoumlhung der Quer-

schnittstragfaumlhigkeit

Stahlfaserbeton ist in der

Lage rechnerisch ansetzbare

Kraumlfte im gerissenen Zustand

zu uumlbertragen Im Vergleich zu

unbewehrtem Beton (rechne-

rischer Ansatz von Zugkraumlftennicht erlaubt) fuumlhrt dies in bie-

gebeanspruchten Bauteilen

mit Normalkraumlften zu einer

deutlichen Traglasterhoumlhung

In vielen Faumlllen ist die Traglast

hinreichend um eine sonst er-

forderliche Bewehrung kom-

plett zu ersetzen

2 Erhoumlhung der Systemtrag-

faumlhigkeit

Das duktile Materialverhaltenermoumlglicht nach Uumlberschrei-

tung der Erstrisslast eine

Kraftuumlbertragung in andere

Querschnittsteile die Schnitt-

groumlszligen lagern sich um und eine

weitere Laststeigerung bis zumErreichen der Systemtragfaumlhig-

keit wird ermoumlglicht Eine plas-

tische Schnittgroumlszligenermittlung

bildet das Tragvermoumlgen des

Stahlfaserbetons am sinnvolls-

ten ab Die hiernach ermittelten

Schnittgroumlszligen fallen geringer

aus als bei einer rein elastischen

Betrachtung Zudem erhoumlht

sich bei weicheren Systemen

der Lastanteil der direkt vom

Gebirge selbst abgetragenwird

5 Kriterien fuumlr die Leis-tungsfaumlhigkeit einesStahlfaserbetonsBeton wird anhand seiner Druck-

festigkeit in Klassen eingeteilt

Dabei ist es (fast) unerheblich

wie viel Zement oder welcher

Zuschlag verwendet wird um

eine bestimmte Druckfestigkeit

zu erreichen Denn Zement ist

nicht gleich Zement und Zu-

schlag nicht gleich Zuschlag

Dies ist bei Faserbeton nicht

anders denn auch hier gilt

Faser ist nicht gleich Faser

Stahldrahtfasern werden aus

kaltgezogenen Draumlhten ver-

schiedener Werkstoffguumlten

hergestellt Die Zugfestigkeit

liegt in der Regel zwischen 1000

Nmm983218 und 2500 Nmm983218 DieFaserlaumlngen variieren zwischen

30 mm und 60 mm und deren

Durchmesser zwischen 040

und 110 mm Die Leistungs-

faumlhigkeit von Stahldrahtfasern

und somit die des Stahlfaser-

betons ist im Wesentlichen

abhaumlngig von Faserdurchmes-

ser -laumlnge -verankerungsart

der Drahtzugfestigkeit und

der Lieferform Nachfolgend

aufgefuumlhrte Kriterien sicherneinen leistungsstarken Stahl-

faserbeton zu

bull Endhaken

bull moumlglichst duumlnn

contents is equivalent to a sub-

critical reinforcement It is there-fore primarily used in elements

which permit redistribution of

internal forces and therefore

multiple crack-formation (ie sta-

tically indeterminate stuctures)

Tunnels are highly statically

indeterminate systems The load

combination of bending mo-

ment and compressive normal

force is governing for the design

in the ultimate Limit state The

stiffer the systems the moregreatly they attract bending

moments The higher the mo-

ments occurring the greater the

necessary degree of reinforce-

ment Flexible systems on the

other hand bear the loading

by means primarily of normal

forces This is therefore the ra-

tionale for the demand for fle-

xible systems in modern tunnel

construction Unlike the situation

with stiff systems the deformati-

on of the shell causes intensified

activation of the groundlsquos own

load-bearing function The forces

to be absorbed by the support

(segmental lining rings) are the-

refore lower in the case of ductile

systems The materials properties

of steel-fibre-reinforced concrete

are suitable in two ways for mee-

ting the required load-bearing

capacity

1 Enhancement of cross-sec-

tional load-bearing capacity

Steel-fibre-reinforced concrete

in cracked condition remains

capable of transferring Loadings

and taking up forces Unlike the

situation with non-reinforced

concrete (mathematical assump-

tion of tensile forces not allowab-

le) this results in a significant in-

crease in load-bearing capacityin structures exposed to bending

requirements with normal forces

In many cases the load-bearing

capacity is sufficient to eliminate

entirely the need for the traditio-

nal reinforcement which other-wise would be necessary

2 Enhancement of system

load-bearing capacity

Once the initial cracking load

has been exceeded steel-fib-

re-reinforced concretelsquos duc-

tile material behaviour permits

transfer of forces to other cross-

sectional elements stresses are

redistributed till the final load-

bearing capacity of the systemis obtained Plastic analysis

comprises the load-bearing ca-

pability of steel-fibre-reinforced

concrete most rationally The

resulting stressess determined

on this way are lower than in the

case of a purely elastic analysis

In addition the load taken up

borne directly by the rock itself

is also increased in the case of

more flexible systems

5 Criteria definingthe performance of asteel-fibre-reinforcedconcreteConcrete is classified by its

strength in compression It is

of (almost) no significance how

much cement and which aggre-

gate and additives are used to

achieve a particular compressive

strength - cement is not just ce-ment and aggregate is not just

aggregate This adage is also

true of fibre-reinforced con-

crete since here too fibres are

not just fibres Steel wire fibres

are produced from cold-drawn

wire of various steel grades

Their tensile strength is gene-

rally between 1000 Nmm983218 and

2500 Nmm983218 fibre lengths vary

between 30 mm and 60 mm

their diameters between 040and 110 mm The performance

of steel wire fibres and therefore

of the resultant steel-fibre-rein-

forced concrete depends es-




bull moumlglichst lang

bull hohe Schlankheit

bull an die Betonguumlte angepasste

Zugfestigkeit

bull optimierte Betonrezeptur

Drei unterschiedliche Stahl-

fasertypen veranschaulichen

beispielhaft die laufende Me-

terlaumlnge und Stuumlckzahl Fasern

fuumlr 1 kg Der Quotient ld stellt

das LaumlngenDurchmesser-Ver-

haumlltnis und somit eine Art Leis-

tungsklasse dar (Bild 5)

RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 Fasernkg

RC-6560-BN ld = 65

L = 200 mkg3330 Fasernkg

RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 Fasernkg

Je houmlher die Stuumlckzahl und je

laumlnger die Fasern desto houmlher

die Wahrscheinlichkeit dass ein

Riss auf eine Faser trifft Das Ver-

kleben zu Buumlndeln ermoumlglicht

auch sehr leistungsfaumlhige Fa-sern mit groszligen Schlankheiten

(ld gt 50) gleichmaumlszligig im Beton

zu verteilen Entscheidend ist

zudem eine an die Betonguumlte

angepasste Zugfestigkeit zu

waumlhlen um die Duktilitaumlt des

Stahlfaserbetons aufrecht zu

erhalten Normalfeste Stahl-

drahtfasern (1000 bis 1300 N

mm983218) werden im Allgemeinen

fuumlr Betone der Festigkeitsklasse

bis C 5060 verwendet Fuumlr Fes-

tigkeiten daruumlber hinaus emp-

fehlen sich mittel- bzw hoch-

feste Stahldrahtfasern (1500 bis

2500 Nmm983218)

6 Testverfahren zur Er-mittlung der Leistungs-faumlhigkeit61 Vorbemerkung

Probekoumlrper werden generell

mittels verformungsgesteu-

erten Verfahren unter Bie-

gung getestet Grundsaumltzlichlaumlsst sich zwischen statisch

bestimmten Balkentests und

statisch unbestimmten Plat-

tentests unterscheiden Sta-

tisch bestimmte Balkentests

dienen der Ermittlung von

Materialeigenschaften Die

ermittelte Nachrissbiegezug-

festigkeit wird fuumlr eine Bemes-

sung von Tuumlbbingelementen

als Kennwert auf der Materi-

alwiderstandsseite genutztDie Grundlagen von Balken-

tests werden im naumlchsten

Unterpunkt eroumlrtert Der wohl

gelaumlufigste Plattentest der

Unterschiedliche Stahlfasertypen und Ihre Auswirkung auf die Leistungsfaumlhigkeit

Various steel-fibre types and their effects on performance

sentially on fibre diameter fibre

length fibre anchorage wire ten-

sile strength and delivery form

The criteria listed below assure

a high-performance steel-fibre-

reinforced concrete

bull Hooked ends

bull As thin as possible

bull As long as possible

bull High slenderness

bull Tensile strength appropriate

to the strength of concrete

bull Optimised concrete recipe

Three different types of steel fib-

re illustrate by way of example

the running-meter length and

number of fibres for 1 kg The ld

quotient states the lengthdiame-

ter ratio and thus a form of perfor-

mance classification (Figure 5)

RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 fibreskg

RC-6560-BN ld = 65

L = 200 mkg

3330 fibreskg

RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 fibreskg

The longer the fibres and the hig-

her their number the greater the

probability that a crack will cross a

fibre Glued bundles of fibres also

permits extremely high-perfor-mance fibres of great slenderness

(ld gt 50) distributed uniformly

in the concrete Also decisive is

the selection of a tensile strength

appropriate to the strength of

concrete in order to maintain

the ductility of the steel-fibre-

reinforced concrete Steel wire

fibres of standard tensile strength

(1000 to 1300 Nmm983218) are ge-

nerally used for concretes of the

strength classes up to C 5060Medium- or high-strength steel

wire fibres (1500 to 2500 Nmm983218)

are recommended for higher

strength classes

6 Test procedures fordetermination ofperformance61 Preliminary note

Test specimen are generally

tested by means of deflection-

controlled test setups It is pos-

sible to differentiate in principle

between statically determinate

beam tests and statically inde-

terminate panel tests Statically

determinate beam tests are

used for the determination of

materials properties The flexu-

ral tensile strength determined

after cracking is used as a cha-

racteristic value on the material-

resistance side for dimensioningof segmental-lining elements

The fundamental principl es

of beam tests are examined in

the following sub-section The

probably most widely used pa-

nel test the bdquoEFNARC panelldquo is

subject to a verification proce-

dure for determination of sys-

tem load-bearing capacity The

square panel positioned on all

sides is statically indeterminate

and simulates the load-bearingbehaviour of a shotcrete shell

System load-bearing capacity is

evaluated as energy-absorption

capacity and set against the re-

5




bdquoEFNARC Panelldquo unterliegt

einem Pruumlfverfahren zur Ermitt-lung der Systemtragfaumlhigkeit

Die ringsum gelagerte Quadrat-

platte ist statisch unbestimmt

und simuliert das Tragverhal-

ten einer Spritzbetonschale

Die Systemtragfaumlhigkeit wird

als Energieabsorptionsver-

moumlgen ausgewertet und der

Anforderung an die Spritzbe-

tonschicht entgegengestellt

Da dieser Plattentest eine

Systemtragfaumlhigkeit ermitteltkann das Ergebnis nicht fuumlr die

Bemessung einzelner Elemente

(zB Tuumlbbinge) herangezogen

werden Der Plattentest wird im

Rahmen dieses Beitrags nicht

weiter vertieft

62 Statisch bestimmte Biege-

balkenpruumlfungen

Die Ermittlung der Materialei-

genschaften zur Abbildung der

Momententragfaumlhigkeit erfolgt

uumlber verformungsgesteuerte

Biegebalkenpruumlfungen Mit

dem Testverfahren statisch

bestimmter Pruumlfbalken liegt

ein geeignetes Verfahren vor

die Ergebnisse in eine Bemes-

sung zu uumlberfuumlhren (zB fuumlr

die Querschnittstragfaumlhigkeit

in den Bauzustaumlnden oder fuumlr

das M-N-Interaktionsdiagram)

Die Testmethode nach EN 14651[4] sieht einen Drei-Punkt-Bie-

geversuch vor (Bild 6 rechts)

Balkenpruumlfung 4-Punkt-Biege-Versuch (links) und Prinzipdarstellung des 3-Punkt-Biege-Versuchs (rechts)

Beam test four-point bending test (left) and view in principle of the three-point bending test (right)

quirements made on the shot-

crete layer Since this panel test

determines a system load-bea-

ring capacity the result cannot

be used for the dimensioning

of individual elements (eg seg-

mental support rings) The panel

test is not examined in any more

detail in this article

62 Statically determined

beam tests

Determination of materials pro-

perties to reveal the bending

moment capacity is performed

by means of deflection-control-

led beam tests The test procedu-

re utilising statically determinate

test beams provides a method

suitable for conversion of the

results to a design (for cross-sectional capacity in the various

states of construction or for the

M-N interaction diagram for

instance) The EN 14651 test

method [4] issues a three-point

bending test (Figure 6 right) The

loaddeflection curve is evalua-

ted by means of residual values

at defined deflection points

The JSCE SF-4 test procedure

[6] issues a four-point bending

test (Figure 6 left) The loadde-

flection curve is evaluated on

the basis of equivalent values

(evaluation of the area below

the curve) The German society

of concrete (DBV) recommenda-

tion [3] and the DAfStb guideline

for steel-fibre-reinforced concre-

te [2] also foresee a four-point

bending test The evaluation

methods differ however Two

deformation zones are gene-rally evaluated Performance at

low beam deflection is used for

analyses in serviceability limit

state Performance at greater

beam deflection is utilised for

analyses in the ultimate limit

state (Figure 7)

63 Full scale tests

By means of the available calcu-

lation methods it is sometimes

hardly possible to fugure outthe ultimate material resistance

particulary if such elements are

exposed to bursting and spalling

forces The ultimate load-bearing

Die Auswertung der Lastver-

formungskurve erfolgt uumlber

residuelle Werte an definierten

Durchbiegungspunkten Das

Testverfahren nach JSCE SF-4 [6]

sieht einen Vier-Punkt-Biegever-

such vor (Bild 6 links) Die Aus-

wertung der Lastverformungs-

kurve erfolgt uumlber aumlquivalente

Werte (Auswertung der Flaumlche

unterhalb der Kurve) Das DBV-

Merkblatt [3] sowie die DAfStb-

Richtline Stahlfaserbeton [2]

regeln ebenso einen Vier-Punkt-

Biegeversuch Unterschiede gibt

es in der Auswertungsmethode

Im Allgemeinen werden zwei

Verformungsbereiche ausge-

wertet Die Leistungsfaumlhigkeit

unter geringer Balkendurch-

biegung wird fuumlr Nachweise imGrenzzustand der Gebrauch-

stauglichkeit herangezogen

6

Lastverformungskurven Auswertung anhand aumlquivalenter Werte (links) und anhand residueller Werte (rechts)

Loaddeflection curves Evaluation on the basis of equivalent values (left) and on the basis of residual values (right)

7




Die Leistungsfaumlhigkeit unter

groumlszligerer Balkendurchbiegungwird fuumlr Nachweise im Grenzzu-

stand der Tragfaumlhigkeit genutzt

(Bild 7)

63 Belastungstest an Groszlig-

elementen

Mit den zur Verfuumlgung stehen-

den Berechnungsmodellen

lassen sich insbesondere auf

der Materialseite nicht immer

die Widerstandsgroumlszligen hinrei-

chend ermitteln speziell wennes um Nachweise der aufnehm-

baren Spalt- und Randzugkraumlf-

te geht Die Grenztragfaumlhigkeit

des verwendeten Materials

laumlsst sich daher sehr gut an ex-

perimentellen Untersuchungen

ermitteln (Bild 8)

7 Regelwerke undNormierung von Stahl-fasern71 Regelwerke

In Deutschland stand bisher mit

dem DBV Merkblatt bdquoStahlfaser-

betonldquo [3] ein geschlossenes

Regelwerk zur Bemessung von

Stahlfaserbetonbauteilen zur

Verfuumlgung Dieses Merkblatt

basiert auf dem DBV Merkblatt

bdquoTunnelbauldquo beinhaltet jedoch

auch europaumlische Entwicklun-

gen auf dem Normengebiet Mit

dem DBV Merkblatt bdquoStahlfaser-betonldquo [3] wurde ein fundiertes

Hilfsmittel zur Bemessung von

Stahlfaserbeton bereitgestellt

Allerdings weist das Merkblatt

keinen Normencharakter auf

Bedingt durch diese Tatsache

hat sich der Deutsche Aus-

schuss fuumlr Stahlbeton (DAfStb)

entschlossen eine Richtlinie zu

erarbeiten die sich an die DIN

1045-1 anlehnt Die Schluss-

fassung der DAfStb-RichtlinieStahlfaserbeton [2] wurde im

Maumlrz 2010 veroumlffentlich er-

gaumlnzt und aumlndert Abschnitte

der DIN 1045-1 und weist nach

Aufnahme in die Bauregelliste

einen vollstaumlndigen Normen-

charakter auf Auch in der

europaumlischen Nachbarschaft

sind Bemessungsregeln fuumlr

den Stahlfaserbeton erarbeitet

worden Zu erwaumlhnen ist die

Schweiz mit Ihrer Empfehlung

SIA 1626 [10] Oumlsterreich mit

Ihrer Richtlinie bdquoFaserbetonldquo [8]

die Niederlande mit Ihrer CUR-

Richtlinie aber auch RILEM in

der das Technische Komitee TC

162 unter dem Titel bdquoTest and

Design for Fibre Reinforced

Concreteldquo Empfehlungen fuumlr

die Pruumlfung und Bemessung

von Stahlfaserbeton erarbeitet

hat Im FIB Model Code 2010

[7] ist Stahlfaserbeton ebenfalls

aufgenommen

72 Normierung von Stahl-

fasern

In Europa muumlssen Stahlfasern

zur Verwendung in Beton mit

dem CE-Zeichen gekennzeich-

net werden Die Mindestan-

forderungen an Stahlfasern

werden in der harmonisierten

Norm DIN EN 14889-1 [5] be-

schrieben Die Norm DIN EN

14889-1 [5] legt Anforderungenfuumlr Stahlfasern fuumlr Beton Moumlr-

tel und Einpressmoumlrtel fuumlr tra-

gende und andere Zwecke fest

Es gibt zwei unterschiedliche

capacity of the material used can

therefore be determined extre-

mely well by means of experi-

mental tests (Figure 8)

7 Codes and standardsfor steel fibres71 Codes

A code has been available in

Germany for the dimensioning


elements up to now in the form

of the DBV bdquoSteel-fibre-reinforced

concreteldquo recommendation [3]

This is based on the DBV bdquoTunnel

Engineeringldquo recommendati-

on but also includes European

developments in the field of

standardisation The DBV bdquoSteel-

fibre-reinforced concreteldquo recom-

mendation [3] provides a wellfounded aid to the dimensioning


te This code does not have the

character of a standard however

In view of this fact the DAfStb

dicided to draft a guideline ori-

entated around DIN 1045-1 The

final edition of the DAfStb bdquoSteel-

fibre-reinforced concreteldquo guide-

line [2] was published in March

2010 This guideline replaces and

complements parts of DIN 1045-1 and after being taken up in the

List of building materials ist has a

status of a code Rules of dimen-

sioning for steel-fibre-reinforced

concrete have also been draf-

ted in neighbouring Europeancountries here Switzerland may

be mentioned with its Recom-

mendation SIA 1626 [10] also

Austria with its bdquoFibre-reinforced

concreteldquo guideline [8] and the

Netherlands with the CUR rules

and RILEM in which Technical

Committee TC 162 has set out

recommendations for the tes-

ting and dimensioning of steel-

fibre-reinforced concrete under

the title bdquoTest and Design for FibreReinforced Concreteldquo Steel-fib-

re-reinforced concrete has also

been included in the FIB Model

Code 2010 [7]

72 Standardisation of steel

fibres

In Europe steel fibres for use in

concrete must be marked with

the CE symbol The minimum

requirements for steel fibres

are defined in the harmonised

DIN EN 14889 Part 1 [5] stan-

dard DIN EN 14889 Part 1 [5]

defines requirements for steel

fibres for concrete mortar and

grouting mortar for load-bea-

ring and other purposes There

are two different systems for

certification of conformity bdquoSys-

tem 1 Steel fibres for load-be-

aring purposesldquo and bdquoSystem 3

Steel fibres for other purposesldquoDIN EN 14889 Part 1 [5] defi-

nes bdquoload-bearing purposesldquo as

follows bdquoWhen fibres are used

for load-bearing purposes the

fibres added contribute to the

load-bearing capacity of a con-

crete elementldquo Certification of

conformity in accordance with

bdquoSystem 1ldquo is therefore required

for virtually all cases of practi-

cal relevance To eliminate the

possibility of mistakes only steelfibres controlled and certified in

accordance with bdquoSystem 1ldquo and

bearing the corresponding EC

certificate of conformity should

Belastungstest an einem Einzelsegment

Load test on an individual segment

8




be used Permissible tolerances

for the main properties of thefibres in each case are issued

in the standard The influence

of the fibres on the strength

of concrete is tested on a refe-

rence concrete in order to pro-

vide the user with an idea of the

performance of individual fibre

types The minimum steel fibre

content necessary to achieve a

residual flexural tensile strength

of 15 Nmm983218 with a crack width

of 05 mm and of 10 Nmm983218with a crack width of 35 mm in

a test procedure in accordance

with DIN EN 14651 [4] is defined

The amount of fibres need to be

declared to abtain these perfor-

mances That provides reference

of the performance of individual

fibre types (Figure 9)

8 Reference projectsNumerous tunnel projects

around the world have been

implemented using steel-fibre-

Systeme der Konformitaumltsbe-

scheinigung bdquoSystem 1 - Stahl-fasern fuumlr tragende Zweckeldquo

und bdquoSystem 3 - Stahlfasern

fuumlr andere Zweckeldquo Die Norm

DIN EN 14889-1 [5] definiert

tragende Zwecke wie folgt bdquoBei

der Verwendung von Fasern fuumlr

tragende Zwecke tragen die

zugegebenen Fasern zur Trag-

faumlhigkeit eines Betonbauteils

beildquo Demnach ist fuumlr fast alle

praktisch relevanten Faumllle eine

Konformitaumltsbescheinigungnach bdquoSystem 1ldquo erforderlich

Um Verwechslungen vorzu-

beugen sollten ausschlieszliglich

nach bdquoSystem 1ldquo uumlberwachte

und zertifizierte Stahlfasern

mit zugehoumlrigem EG-Konfor-

mitaumltszertifikat verwendet

werden In der Norm sind fuumlr

die jeweils maszliggebenden

Eigenschaften der Fasern zu-laumlssige Toleranzen festgelegt

Um dem Nutzer eine Idee uumlber

die Leistungsfaumlhigkeit einzel-

ner Fasertypen zu vermitteln

wird an einem Referenzbeton

der Einfluss auf die Festigkeit

von Beton getestet Es ist die

Mindestzugabemenge Stahlfa-

sern definiert die erforderlich

ist um in einem Pruumlfverfahren

nach DIN EN 14651 [4] eine

residuelle Biegezugfestigkeitvon 15 Nmm983218 bei einer Riss-

oumlffnungsbreite von 05 mm

und von 10 Nmm983218 bei einer

Rissoumlffnungsbreite von 35 mm

zu erreichen Die Angabe der

erforderlichen Menge zum

Erreichen dieser Leistungsfauml-

higkeit vermittelt einen An-

CE Label der Stahldrahtfaser DramixRC-8060-BN

CE label for Dramix RC-8060-BNsteel fibres

9

Stahldrahtfasern zur Bewehrungvon Tuumlbbingen im Tunnelbau

Dramixreg

Bekaert GmbH

Otto-Hahn-Str 20 - D-61381 Friedrichsdorf

T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108

buildinggermanybekaertcom


Technische Staumlrken

- hohe Energieaufnahmefaumlhigkeit

- duktiles Materialverhalten

- hohes Nachrisszugverhalten

- hoher Widerstand gegen

Schlageinwirkung konzentrierte

Lasten und Ermuumldung

- reduzierte Riss- und Abplatzneigung

- Dauerhaftigkeit

Dramixreg-Stahldrahtfasern bieten auch im Spritzbeton Vorteile

Wirtschaftliche Vorteile

- Verzicht auf Betonstahlbewehrung

- zeitoptimierter Fertigungsprozess

- weniger Tuumlbbingausschuss

- geringere Sanierungskosten

Tuumlbbinge

- ausfuumlhrbar in reinem

Stahlfaserbeton

- auch als Kombibewehrung

moumlglich

- feuerbestaumlndig und dauerhaft




Druckversuche an Ringfugen von Tuumlbbingen (Projekt Oenzbergtunnel)

Compression tests on annular lining segment joints (Oenzberg Tunnel project)

haltswert bezuumlglich der Leis-

tungsfaumlhigkeit des jeweiligen

Fasertyps (Bild 9)

8 ReferenzprojekteZahlreiche Tunnelprojekte

wurden weltweit in den letz-

ten Jahren unter Verwendung

von Stahlfaserbeton-Tuumlbbin-

gen realisiert Ein paar wenige

Referenzobjekte werden nach-

folgend kurz eroumlrtert

Channel tunnel rail link CTRL (Channel tunnel rail link)

ist der Verbindungstunnel zwi-

schen London und Frankreich

Das Bauvorhaben wurde in den

Jahren 2003 bis 2004 fertig ge-

stellt Insgesamt 200000 Ein-

zelsegmente wurden in einem

temporaumlren Fertigteilwerk

zur Realisierung des Projektesgefertigt (Bild 10) Bei einem

Innendurchmesser von 715

m und einer Schalendicke von

350 mm wurde ein Ring aus

9 Segmenten + Schlussstein

zusammengestellt Sehr hohe

Anforderungen an die Dauer-

haftigkeit wurden im Rahmen

der Ausschreibung dieses Pro-

jektes definiert Dabei galt es

ein widerstandsfaumlhiges Mate-

rial gegen aggressive Umwelt-bedingungen einzusetzen und

eine Lebensdauer der Tunnel-

ringe von 120 Jahren zu pro-

jektieren Der Gedanke einen

leistungsstarken Stahlfaserbe-

ton zu verwenden war dahernicht fern Der Stahlfaserbeton

wurde mit Dramix Stahldraht-

fasern RC-8060-BN realisiert

Im Vergleich zu uumlblichen Er-

fahrungswerten herkoumlmmlich

bewehrter Tuumlbbinge war die

Anzahl einzelner Segmente

die infolge Beschaumldigungen

ausgewechselt bzw nachtraumlg-

lich saniert werden mussten

aumluszligerst gering

OenzbergtunnelDer Oenzbergtunnel gilt als

Schluumlsselstelle der Neubau-

strecke der im Rahmen des

Projekts bdquoBahn 2000ldquo Linie

Bern-Zuumlrich gebaut wurde

Der doppelspurige 3160 m

lange Oenzbergtunnel wur-

de mit einer Mix-Shield-Tun-

nelbohrmaschine aufgefahren

Da die Aufnahme der Tuumlb-

bingproduktion kurz bevor-

stand stand mit dem Einsatz

von Stahlfasern eine elegante

und schnelle Loumlsung bereit Im

Rahmen dieses Bauvorhabens

wurden Versuche mit Hilfe mo-

dernster Einrichtungen durch-

gefuumlhrt um das Verhalten der

Tuumlbbinge insbesondere der

Tuumlbbingfugen unter vor Ort

herrschenden Belastungs-

zustaumlnden zu untersuchenDabei wurden folgende Be-

wehrungsarten miteinander

verglichen

Temporaumlres Fertigteilwerk ProjectCTRL London

Temporary prefabrication facilityCTRL project London

reinforced concrete segmental

linings in recent years A numberof these projects are summarised

as follows

Channel Tunnel Rail Link The CTRL (Channel Tunnel Rail

Link) is the tunnel connecting

Britain and France This project

was completed in the 2003 to

2004 period A total of 200000

individual segments were pro-

duced in a temporary prefabrica-

tion facility to supply the project(Figure 10) Each ring consisted

of nine segments plus a keys-

tone for an inner diameter of

715 m and a lining thickness of

350 mm Extremely demanding

durability requirements were de-

fined in the invitation to tender

for this project A material resis-

tant to aggressive environment

conditions was to be used and a

service-life of 120 years to be in-

dicated for the segmental tunnel

lining rings The concept of using


reinforced concrete was there-

fore a relatively obvious step

The steel-fibre-reinforced con-

crete used contains Dramix RC-

8060-BN steel wire fibres The

number of individual segments

which required replacement or

retrospective repair due to da-

mage was exceptionally low onthe basis of empirical data for

conventionally reinforced seg-

mental lining systems

Oenzberg Tunnel

The Oenzberg Tunnel is thekey engineering work on the

new Bern-to-Zurich line cons-

tructed as part of Switzerlandlsquos

bdquoRail 2000ldquo project This double-

track 3160 m long tunnel was

driven using a mix-shield tunnel-

boring machine The use of steel

fibres provided an elegant and

rapid solution since production

of segments was scheduled to

start in a short time Tests using

ultra-modern equipment wereperformed in the context of this

construction project in order to

investigate the performance of

the segmental lining and of the

segment joints in particular un-

der the load conditions prevai-

ling in the tunnel The following

types of reinforcement were

comparatively assessed

bull Purely steel-fibre reinforce-

ment

bull Combined reinforcement

(steel fibres and reinforce-

ment meshes)

bull Conventional reinforcement

(reinforcement meshes and

rebars)

Figure 11 illustrates the ductile

material behaviour of steel-fi-

bre-reinforced concrete under

compressive loading In addition

the same load level as with theconventional reinforcement al-

ternative was also achieved

The Hofoldinger StollenIn Germany a 1750 km long

tunnel project using segmen-

tal lining consisting entirely of


was implemented in the form of

the construction of a drinking-

water supply conduit from the

Mangfalltal valley (Figure 12) The bdquoHofoldinger Stollenldquo was

constructed between 1999 and

2004 The segmental lining ring

consisting of six segments with

0

11




Hofoldinger StollenVerarbeitung des Stahlfaserbetonsmit 40 kgm983219 Dramix RC-6560-BN

The Hofoldinger Stollen Workabilityof steel-fibre-reinforced concrete con-taining 40 kgm983219 Dramix RC-6560-BN

bull reine Stahlfaserbewehrung

bull kombinierte BewehrungStahlfasern und Bewehrungs-

netze

bull konventionelle Bewehrung

(Bewehrungsnetze Stabbe-

wehrung)

Bild 11 verdeutlicht das duktile

Materialverhalten von Stahlfa-

serbeton unter Druckbelastung

Zudem wurde das gleiche Last-

niveau wie bei der Ausfuumlhrungs-

alternative mit herkoumlmmlicherBewehrung erreicht

Hofoldinger StollenMit dem Bau einer Trinkwasser-

zuleitung aus dem Mangfall-

tal wurde in Deutschland ein

1750 km langes Tunnelprojekt

mit Tuumlbbingen aus reinem Stahl-

faserbeton realisiert (Bild 12) Der

Hofoldinger Stollen wurde in der

Bauzeit von 1999 bis 2004 aus-gefuumlhrt Der Tuumlbbingring beste-

hend aus 6 Segmenten in einem

Durchmesser von 330 m besitzt

eine Schalendicke von 180 mm

und wurde mit 40 kgm983219 Dramix

RC-6560-BN ausgefuumlhrt Durch

Einsatz von Stahlfaserbeton

wurde der Bauprozess deutlich

beschleunigt Die ansonsten

gelaumlufigen Problematiken hin-

sichtlich Kanten- und Eckabplat-

zungen an einzelnen Segmentenkonnten zufriedenstellend ein-

geschraumlnkt werden

WehrhahnlinieDuumlsseldorf Mit der Wehrhahnlinie Duumlssel-

dorf steht ein weiteres Refe-

renzobjekt in Deutschland zur

Verfuumlgung Die 34 km lange

a diameter of 330 m has a li-

ning thickness of 180 mm andwas fabricated using 40 kgm983219

of Dramix RC-6560-BN steel

fibres The use of steel-fibre-re-

inforced concrete significantly

accelerated the construction

process The problems of spalling

at edges and corners otherwise

frequently encountered on indi-

vidual segments were satisfacto-

rily suppressed

The Wehrhahn LineDuumlsseldorf The Wehrhahn Line in Duumlssel-

dorf provides a further reference

project in Germany The 34 km

long Wehrhahn Line is to be

completed by 2014 with no less

than six new underground sta-

tions The steel-fibre-reinforced

concrete lining segments are

being used as temporary sup-

port for the station bores for a

service period of three years

The tunnel bores have an outer

diameter of 920 m Each tunnel

ring consists of 7+1 segmental

ring lining elements Element

12

gt Deutschlands Nr 1 bei Stahlfasern wwwkrampeharexcom

KrampeHarexreg GmbH amp Co KG middot Pf erdekamp 13 middot 59075 Hamm middot Phone +49 (0) 23 81977 977 middot Fax +49 (0 ) 23 81977 955 middot info krampeharexcom middot wwwkrampeharexcom

KrampeHarexreg-Stahlfasern und KrampeFibrinreg-Kunststofffasern

ersetzen konventionelle Bewehrungen und erhoumlhen den Brandschutz

Schneller Besser

Geringere Material- und Lohnkosten als beiherkoumlmmlichen Bewehrungen sorgen fuumlrden Vorteil in Kalkulation und Angebot

Guumlnstiger

Der Bearbeitungsprozess ist ca 25-malschneller als bei konventioneller Matten-bewehrung

Faserbewehrungen halten dauerhaft undsicher ndash und verfuumlgen mit Kunststofffasernuumlber den heute bestmoumlglichen Brandschutz

Die Alpenrepublik setzt beim Tunnelbau aufKrampeHarexreg ndash den Marktfuumlhrer fuumlr sicherenoumlkonomischen und fortschrittlichen Tunnelbau

Oumlsterreichs Nummer eins im Tunnelbau




Wehrhahnlinie soll bereits im

Jahr 2014 komplett mit sechsneuen unterirdischen Bahn-

houmlfen fertig gestellt sein Die

Stahlfaserbetontuumlbbinge wer-

den als temporaumlre Sicherung

der Bahnhofroumlhren fuumlr eine

Nutzungsdauer von drei Jahren

eingesetzt Die Tunnelroumlhren

haben einen Auszligendurchmes-

ser von 920 m Jeder Tunnelring

besteht aus 7+1 Tuumlbbingen Die

Elementdicke betraumlgt 450 mm

Die statischen Nachweise wur-den gemaumlszlig DAfStb-Richtlinie

Stahlfaserbeton gefuumlhrt Der

Stahlfaserbeton wird unter Ver-

wendung von Stahldrahtfasern

Dramix RC-8060-BN geliefert

Die laufende Qualitaumltskontrol-

le sieht Biegebalkenpruumlfungen

zur Kontrolle der Leistungsfauml-

higkeit und Auswaschversuche

zur stetigen Kontrolle gleich-

maumlszligiger Faserverteilung in de-

finierten Zeitabstaumlnden vor

STEP Abu DhabiEines der juumlngsten Groszligpro-

jekte mit Tuumlbbingproduktion

ist fuumlr das Tunnelprojekt STEP

in Abu Dhabi 2010 angelaufen

Die Planung sieht einen insge-

samt 42 km langen Abwasser-

tunnel vor der in drei bdquoLoseldquo un-

terteilt ist Das Los T-02 befindet

sich in der Ausfuumlhrungsphaseist ca 156 km lang und soll

bereits im Sommer 2012 fertig

gestellt sein (Bild13) Vorgese-

hen ist eine zweischalige Aus-

fuumlhrungsvariante (unbewehrte

Innenschale als bdquofinal liningldquo)

Die Tunnelroumlhren haben einen

Durchmesser von 630 m die

Elementdicke der einzelnen

Tuumlbbingelemente betraumlgt 280

mm Aus betontechnologischer

Sicht war die Zusammenstel-lung der Betonrezeptur eine

wahre Herausforderung Er-

houmlhten Anforderungen an

die Dauerhaftigkeit sowie

thickness is 450 mm The sta-

tic analyses were performed

in accordance with the DAfStbbdquoSteel-fibre-reinforced concre-

teldquo guideline The steel-fibre-re-

inforced concrete was batched

using Dramix RC-8060-BN steel

fibres Continuous quality cont-

rol is being done to check the

performance at defined inter-

vals Beam tests for verification

of performance and wash-out

tests for continuous monitoring

of uniform fibre distribution is

foreseen

STEP Abu DhabiOne of the most recent major

projects to include on-site seg-

ment production started in 2010

with the STEP tunnel project in

Abu Dhabi The planning here

envisages a waste-water tunnel

of a total of 42 km in length with

the work subdivided into three

lots Lot T-02 with a length of

approx 156 km is currently un-

dergoing implementation andis to be completed by the sum-

mer of 2012 (Figure 13) A dou-

ble-shell variant (non-reinforced

inner shell as the bdquofinal liningldquo) is

planned The tunnel bores are of

630 m diameter while the indivi-

dual segmental lining elements

have a thickness of 280 mm The

drafting of the concrete recipe

was a real concrete technology

challenge since it was necessary

to meet both elevated durabi-

lity requirements and to coun-

teract the aggressiveness of the

groundwater in the geology A


variant was selected in order to

improve durability and minimise

proneness to spalling and thus

eliminate permeability from the

inception Local additional re-

inforcement was incorporated

along the transverse joints inview of the extremely high ten-

sile splitting forces occurring at

the connecting points of the in-

dividual segments Design of the


lining segments was otherwise

in accordance with the DBV code

[3] The critical load case in ser-

viceability limit state was deter-

mined The necessary tensile

strength after cracking required

according the rules of the DBVcode of 16 Nmm983218 was achie-

ved using a Dramix RC-6560-BN

steel fibre type and confirmed

by means of beam tests

erschwerten geologischen

Bedingungen hinsichtlich derAggressivitaumlt des anstehenden

Grundwassers galt es zu begeg-

nen Eine Ausfuumlhrungsvariante

in Stahlfaserbeton wurde fest-

gelegt um die Dauerhaftigkeit

zu verbessern und Abplatznei-

gungen zu minimieren und so

Wasserwegigkeiten von vorne

herein zu verhindern Aufgrund

sehr hoher Spaltzugkraumlfte an

den Verbindungsstellen der

einzelnen Segmente wurdeentlang der Querfugen eine

lokale Zusatzbewehrung be-

messen Die Bemessung der

Stahlfaserbetontuumlbbinge er-

folgte ansonsten in Anlehnung

an das DBV-Merkblatt [3] Der

maszliggebende Lastfall wurde im

Grenzzustand der Gebrauch-

stauglichkeit ermittelt Die

erforderliche Nachrisszugfes-

tigkeit gemaumlszlig Bestimmungen

des DBV-Merkblatts von 16 N

mm983218 wurde mit einem Stahl-

fasertyp Dramix RC-6560-BN

mittels Biegebalkenpruumlfungen

bestaumltigt

Tunnelbohrmaschine von Herrenknecht fuumlr das Projekt STEP in Abu Dhabi

Herrenknecht tunnel-boring machine for the STEP project in Abu Dhabi

LiteraturReferences

[1] Bemessung von Stahlfaserbeton im Tunnelbau BMaidl ANitschkeM Ortu Bochum June 1999

[2] DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton March 2010 edition[3] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein eV

DBV-Merkblatt Stahlfaserbeton October 2001 edition[4] EN 14651 Pruumlfverfahren fuumlr Beton mit metallischen Fasern ndash

Bestimmung der Biegezugfestigkeit (Proportionalitaumltsgrenzeresiduelle Biegezugfestigkeit)

[5] EN 14889-1 Fasern fuumlr den Beton ndash Teil 1 Stahlfasern ndash BegriffeFestlegungen und Konformitaumlt

[6] JCI Test for flexural strength and toughness for fibre reinforcedconcrete JSCE SF-4 Japan Concrete Institute 1984

[7] Model Code 2010 First complete draft Volume 1 bulletin 55

[8] Oumlsterreichische Vereinigung fuumlr Beton- und Bautechnik bdquoRichtlinieFaserbetonldquo July 2008 edition

[9] R Suter P Buchs Precast fibre reinforced tunnel lining segmentsExperimental Study Final Report University of Applied SciencesFribourg 2008

[10] SIA 162 1999 Empfehlung Stahlfaserbeton

13




Erfahrungen vorliegen Mit der

Einfuumlhrung der DAfStb-Richt-linie Stahlfaserbeton [2] liegt

zukuumlnftig in Deutschland ein

umfangreiches Regelwerk mit

Normencharakter vor

2 Vorzuumlge und Mate-rialeigenschaften desStahlfaserbetonsStahldrahtfasern werden dem

Beton zugemischt um - neben

einer Traglasterhoumlhung - die

mechanischen Eigenschaftenauf bestimmten Gebieten zu

verbessern Zu den maszligge-

benden Eigenschaften die

durch die Zugabe von Stahl-

drahtfasern deutlich verbessert

werden zaumlhlen

bull Duktilitaumltssteigerung unter

Zug und Druck

bull erhoumlhte Schlagfestigkeit

bull verbessertes Ermuumldungsver-

halten

bull geringere Abplatzneigung

bull erhoumlhte Dauerhaftigkeit

bull geringere Rissbreiten im Ge-

brauchszustand

bull Biegetragfaumlhigkeit in allen

drei Raumrichtungen

Der Ersatz herkoumlmmlicher Be-

wehrung durch Stahlfasern bie-

tet Kosteneinsparungspotenzi-

ale bei den Bewehrungsarbeiten

(Anfertigung Lagerung Einbauder Bewehrungskoumlrbe) und er-

houmlht die Flexibilitaumlt zB bei Pla-

nungsaumlnderungen

3 Einsatzbereiche vonStahlfaserbeton imTunnelbauDie Einsatzmoumlglichkeiten von


sind vielfaumlltig Hieraus resultiert

auch die Vielzahl existierender

Anwendungsvarianten Zu-naumlchst gilt die Betrachtungswei-

se des angewandten Tunnelbau-

verfahrens indem zwischen

der Spritzbetonbauweise und

dem maschinellen Tunnelbau

unterschieden wird Ferner isteine Gliederung der verwen-

deten Konstruktion moumlglich

durch Differenzierung zwischen

der einschaligen und zweischa-

ligen Bauweise Stahlfaserbeton

findet in allen vorgenannten Va-

rianten seinen Einsatz

Bei Verwendung von Stahl-

faserspritzbeton werden die

Stahlfasern der Ausgangsmi-

schung des Spritzbetons beige-

mischt Im Spritzbetonverfahrendominiert der entscheidende

Vorteil des Verzichtes auf den

Arbeitsschritt bdquoEinbau der Be-

wehrungldquo Nicht nur die Bauzeit

wird verkuumlrzt sondern auch die

fruumlhzeitige Aktivierung der Erst-

sicherung des Gebirges beson-

ders wichtig unter geologisch

schwierigen Bedingungen wird

sichergestellt Durch das schnel-

le Auffahren der Erstsicherung

und der hohen Gruumlnstandfestig-

keit des Stahlfaserspritzbetons

werden Gebirgsauflockerun-

gen vermindert damit ein-

hergehend der Gebirgsdruck

reduziert und ein bedeutend

guumlnstigerer Spannungszustand

wird erzielt

Im maschinellen Tunnelbau

werden in der Regel Tuumlbbinge

eingesetzt die im Werk ge-

fertigt und an den Einbauorttransportiert werden Hinter der

Schildmaschine werden diese

als Sicherung eingebaut und

ergeben einen geschlossenen

Kreisring der bei einschaliger

Auskleidung auch nicht weiter

ergaumlnzt wird Belastungszustaumln-

de infolge Ausschalen (Bild 1)

Lagerung und Transport lassen

sich mit dem Werkstoff Stahl-

faserbeton in der Regel ohne

weitere Zusatzbewehrung be-messen Die Biegespannungen

sind in der Regel gering Der

Vorteil der sich bereits hier bei

der Verwendung von Stahlfa-

fact that both theoretical and

practical experience is availableWith the introduction of the

German Guideline bdquoSteel fibre

reinforced concreteldquo [2] by the

German Committee of structu-

ral concrete (DAfStb) an exten-

sive tool with full character of

a standard will be provided for

Germany

2 The advantages andmaterials properties of

steel-fibre-reinforcedconcreteSteel fibres are mixed into the

concrete in order not only to

achieve an increase in load-bea-

ring capacity but also to improve

mechanical properties in specific

areas Decisive properties which

are significantly improved by the

addition of steel wire fibres in-

clude

bull Ductility in tension and in

compression

bull Impact resistance

bull Fatigue resistance

bull High resistance against spal-

ling

bull Durability

bull Low crack widths under ser-

vice conditions

bull Flexural strength in all three

directions

The replacement of conven-tional reinforcement by steel

fibres also assures cost-savings

potentials for reinforcement

work (production storage and

installation of the reinforcement

cages) and enhances flexibility

in case for example of project

modifications

3 Applications forsteel-fibre-reinforced

concrete in tunnelengineering The potential uses for steel-fib-

re-reinforced concrete in tunnel

construction are many and di-

verse This naturally is also the

reason behind the large number

of existing application variants

Tunnel-construction methodo-

logy which now differentiates

between shotcreting and me-

chanised tunnelling should firstly

be examined Further more it can

be distinguished between sing-

le-shell and double-shell types

Steel-fibre-reinforced concrete is

used in all these variantsIn the case of steel-fibre-re-

inforced concrete for shotcrete

the steel fibres are added to the

basic shotcrete concrete mix

The decisive advantage of the

ability to omit the bdquoinstallation

of reinforcementldquo operation is

the predominant benefit of the

shotcrete method Not only is

completion time foreshortened

early activation of initial ground

support - a factor particularlycritical under difficult geological

conditions - is also assured Early

application of the initial support

combined with the strength of

Belastungszustand eines Tuumlbbingsdurch Ausschalen

Load state of a segmental liningcaused by removal from the formwork

1







































ser geschuumltzt

















































































protected










2 3





























entsprechen















plett zu ersetzen


faumlhigkeit















































faserbeton zu

bull Endhaken




































capacity
































































Zugfestigkeit










RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 Fasernkg

RC-6560-BN ld = 65


RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 Fasernkg





















2500 Nmm983218)



























reinforced concrete

bull Hooked ends














RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 fibreskg

RC-6560-BN ld = 65

L = 200 mkg

3330 fibreskg

RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 fibreskg














(1000 to 1300 Nmm983218) are ge-





strength classes






























5





















weiter vertieft


balkenpruumlfungen




























beam tests





































state (Figure 7)

63 Full scale tests





























6



7







(Bild 7)


elementen












ermitteln (Bild 8)















































aufgenommen


fasern




























































Code 2010 [7]


fibres

































8





































































9


Dramixreg

Bekaert GmbH


T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108











- Dauerhaftigkeit







Tuumlbbinge


Stahlfaserbeton


moumlglich









Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13







































ser geschuumltzt

















































































protected










2 3





























entsprechen















plett zu ersetzen


faumlhigkeit















































faserbeton zu

bull Endhaken




































capacity
































































Zugfestigkeit










RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 Fasernkg

RC-6560-BN ld = 65


RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 Fasernkg





















2500 Nmm983218)



























reinforced concrete

bull Hooked ends














RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 fibreskg

RC-6560-BN ld = 65

L = 200 mkg

3330 fibreskg

RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 fibreskg














(1000 to 1300 Nmm983218) are ge-





strength classes






























5





















weiter vertieft


balkenpruumlfungen




























beam tests





































state (Figure 7)

63 Full scale tests





























6



7







(Bild 7)


elementen












ermitteln (Bild 8)















































aufgenommen


fasern




























































Code 2010 [7]


fibres

































8





































































9


Dramixreg

Bekaert GmbH


T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108











- Dauerhaftigkeit







Tuumlbbinge


Stahlfaserbeton


moumlglich









Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13





























entsprechen















plett zu ersetzen


faumlhigkeit















































faserbeton zu

bull Endhaken




































capacity
































































Zugfestigkeit










RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 Fasernkg

RC-6560-BN ld = 65


RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 Fasernkg





















2500 Nmm983218)



























reinforced concrete

bull Hooked ends














RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 fibreskg

RC-6560-BN ld = 65

L = 200 mkg

3330 fibreskg

RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 fibreskg














(1000 to 1300 Nmm983218) are ge-





strength classes






























5





















weiter vertieft


balkenpruumlfungen




























beam tests





































state (Figure 7)

63 Full scale tests





























6



7







(Bild 7)


elementen












ermitteln (Bild 8)















































aufgenommen


fasern




























































Code 2010 [7]


fibres

































8





































































9


Dramixreg

Bekaert GmbH


T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108











- Dauerhaftigkeit







Tuumlbbinge


Stahlfaserbeton


moumlglich









Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13







Zugfestigkeit










RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 Fasernkg

RC-6560-BN ld = 65


RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 Fasernkg





















2500 Nmm983218)



























reinforced concrete

bull Hooked ends














RL-4550-BN ld = 45

L = 147 mkg

2950 fibreskg

RC-6560-BN ld = 65

L = 200 mkg

3330 fibreskg

RC-8060-BN ld = 80

L = 288 mkg

4800 fibreskg














(1000 to 1300 Nmm983218) are ge-





strength classes






























5





















weiter vertieft


balkenpruumlfungen




























beam tests





































state (Figure 7)

63 Full scale tests





























6



7







(Bild 7)


elementen












ermitteln (Bild 8)















































aufgenommen


fasern




























































Code 2010 [7]


fibres

































8





































































9


Dramixreg

Bekaert GmbH


T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108











- Dauerhaftigkeit







Tuumlbbinge


Stahlfaserbeton


moumlglich









Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13





















weiter vertieft


balkenpruumlfungen




























beam tests





































state (Figure 7)

63 Full scale tests





























6



7







(Bild 7)


elementen












ermitteln (Bild 8)















































aufgenommen


fasern




























































Code 2010 [7]


fibres

































8





































































9


Dramixreg

Bekaert GmbH


T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108











- Dauerhaftigkeit







Tuumlbbinge


Stahlfaserbeton


moumlglich









Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13







(Bild 7)


elementen












ermitteln (Bild 8)















































aufgenommen


fasern




























































Code 2010 [7]


fibres

































8





































































9


Dramixreg

Bekaert GmbH


T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108











- Dauerhaftigkeit







Tuumlbbinge


Stahlfaserbeton


moumlglich









Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13





































































9


Dramixreg

Bekaert GmbH


T +49 6175 7970 137 - F +49 6175 7970 108











- Dauerhaftigkeit







Tuumlbbinge


Stahlfaserbeton


moumlglich









Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13








Fasertyps (Bild 9)


































































verglichen





as follows

































Oenzberg Tunnel






















ment



ment meshes)



rebars)


















0

11








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











13








netze



wehrung)









































rily suppressed
















12





Schneller Besser


Guumlnstiger




































































foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











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foreseen











































































bestaumltigt



LiteraturReferences











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Date post:	21-Feb-2018
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TUNNEL 2011 01 Stahlfaserbeton-Tuebbinge S.14-24

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