Stahlfaserbeton (SFRC) für die Tunnelauskleidung
Das Faserauszugsverhalten wird experimentell untersucht und dabei Faktoren wie Faserform, -größe und Neigungswinkel berücksichtigt. Darüber hinaus werden in den folgenden Abschnitten die Experimente und entsprechenden numerischen Modelle vorgestellt, die zur vollständigen Beschreibung der Stahlfaserbetonauskleidung erstellt wurden.
2. Stahlfaserbeton unter lokaler Flächenlast
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, sind Tübbinge während der Bau- und Endphase stark konzentrierten Belastungen (d. h. lokalen Flächenlasten) ausgesetzt. Die dadurch entstehenden Risszugspannungen sind oft ein entscheidender Faktor bei der Bemessung und müssen durch entsprechende Bewehrung aufgefangen werden. Durch den Einsatz von Stahlfaserbeton kann die Tragfähigkeit erhöht und das Bruchverhalten bei solchen konzentrierten Belastungssituationen positiv beeinflusst werden. Um den optimalen Einsatz von Stahlfaserbeton, insbesondere in Tübbingen, zu realisieren, wurde eine systematische experimentelle und numerische Untersuchung zum Trag- und Bruchverhalten von Stahlfaserbeton unter Teilzonenbelastung durchgeführt.
(1) Experimentelle Forschung zu SFRC unter lokaler Flächenlast
Um das Trag- und Bruchverhalten von SFRC unter lokaler regionaler Belastung zu charakterisieren, wurde ein groß angelegtes Experiment mit nicht-faserbezogenen und faserbezogenen variierenden Parametern durchgeführt. Zu den nicht faserbezogenen Variablen gehören Betonfestigkeit, Probengröße, Flächenverhältnis und Lastexzentrizität. Darüber hinaus werden örtlich (Punktlasten) und flächig (Bandlasten) verteilte lokale Flächenlasten berücksichtigt, wobei zwei relevante Punktlastsituationen berücksichtigt werden, die in Umfangs- und Längsfugen von Tübbingen auftreten. Zu den faserbezogenen Faktoren gehören Fasereigenschaften (z. B. Festigkeit, Größe, Geometrie und Seitenverhältnis), Fasergehalt und -orientierung sowie Kombinationen verschiedener Fasertypen (z. B. Fasermischungen).
Das untersuchte Betongrundmischungsdesign ist das gleiche, das üblicherweise für Auskleidungssegmente verwendet wird.
Am Beispiel einer 150 mm x 150 mm x 300 mm großen Probe wird das Prüfgerät zur örtlichen Flächenbelastung demonstriert.
Der Einfluss verschiedener Parameter auf das Trag- und Bruchverhalten wurde durch Analyse der endgültigen lokalen Druckspannung (dh der endgültigen Tragfähigkeit), der Spannungs-Verschiebungs-Reaktion sowie der Versagens- und Risseigenschaften untersucht. Als nächstes werden einige Hauptergebnisse und Schlüsselerkenntnisse vorgestellt.
(2) Flächenverhältnis und Faserzugabemenge
Unter der Wirkung der lokalen Flächenlast im konzentrischen Raum beträgt das Flächenverhältnis (= /=2.25, 4, 9 und 16) und die Faserzugabe (60 kg/m3 Hakenstahlfaser). haben unterschiedliche Auswirkungen auf die lokale Druckspannung und die Längsbeziehung von hochfestem Beton (=84,5 MPa). Auswirkung der Verschiebungsreaktion. Beachten Sie, dass in den folgenden Studien die lokale Druckspannung als die aufgebrachte Last geteilt durch die belastete Fläche definiert ist.
Aus der Spannungs-Verschiebungs-Kurve ist ersichtlich, dass durch die Zugabe von Stahlfasern die ultimative lokale Druckspannung von Beton deutlich erhöht werden kann (bis zu 47 %). Im Vergleich zu Normalbeton zeigt sich, dass der Einfluss von Stahlfasern auf die Tragfähigkeit bei höheren Flächenverhältnissen stärker ausgeprägt ist.
Erwartungsgemäß nimmt auch die maximale lokale Druckspannung von Normalbeton und Stahlfaserbeton mit zunehmendem Flächenverhältnis deutlich zu, was auf die Einschlusswirkung des umgebenden Betons zurückzuführen ist. Bei lokalen Flächenlasten im Raum lässt sich der proportionale Zusammenhang zwischen der ultimativen lokalen Druckspannung und der Quadratwurzel des Flächenverhältnisses eindeutig ermitteln. Da bei flächiger örtlicher Flächenbelastung die Rückhaltewirkung unvollständig ist, ist der Anstieg der örtlichen Grenzdruckspannung relativ gering. In diesem Fall erweist es sich als proportional zur Kubikwurzel des Flächenverhältnisses. Diese Korrelationen bilden eine Grundlage für die Berechnung der lokalen Belastungen, denen hochfeste SFRC standhalten können.
Kurz nach Erreichen der Maximalspannung zeigte die Spannungs-Verschiebungs-Kurve von PC einen starken Abfall, was darauf hindeutet, dass die Probe während des Tests plötzlich beschädigt wurde. Im Gegensatz dazu weist SFRC die Eigenschaft auf, dass die Spannung mit zunehmender Verschiebung allmählich abnimmt, was einem duktilen Versagensverhalten entspricht. Bei der Teilflächenlastverteilung ist dieser Effekt weniger offensichtlich, da er nicht vollständig eingeschränkt ist.
Typische Bruchformen hochfester PC- und SFRC-Proben mit entsprechenden Spannungs-Verschiebungs-Kurven. Insgesamt wurden bei PC und SFRC bis nahe der Endlast keine sichtbaren Risse oder Abplatzungen beobachtet. Bald darauf versagten alle PC-Proben unter mehr oder weniger fragmentierten Bedingungen, insbesondere bei hochfestem Beton, mit einem starken Abfall der Last-Verschiebungs-Kurve. Bei großen Flächenverhältnissen entwickelte sich während des Tests ein einzelner großer Spaltriss, der die Seitenfläche bis zum Boden durchdrang, während bei kleinen Flächenverhältnissen die PC-Probe vollständig zusammenbrach. Im Gegensatz dazu behielten alle SFRC-Proben ihre Integrität bis zum Ende des Tests bei und zeigten mehrere Rissmuster. Bei einem großen Flächenverhältnis traten vor allem im oberen Teil der SFRC-Probe Risse zusammen mit geringfügigen Betonabplatzungen auf. Mit abnehmendem Flächenverhältnis kommt es auch in der unteren Hälfte immer häufiger zu Rissen und Abplatzungen.
(3) Fasertyp und -mischung
Aus der Untersuchung des Auszugsverhaltens von Stahlfasern lässt sich ableiten, dass die Eigenschaften der Fasern auch einen erheblichen Einfluss auf das Trag- und Bruchverhalten von SFRC bei lokaler Flächenbelastung haben. Dargestellt ist die ultimative lokale Druckspannung von hochfestem SFRC, das aus verschiedenen Arten von Stahlfasern bei einem Fasergehalt von 60 kg/m3 hergestellt wurde (räumliche Lastverteilung, δ=9). Im Vergleich zu PC liegt die erhöhte Rate der ultimativen lokalen Druckspannung zwischen 28 % und 51 %. Wie erwartet schienen hochfeste, großformatige Fasern mit Hakenenden (Lh60) am wirksamsten bei der Erhöhung der endgültigen Tragfähigkeit zu sein. Der Test ergab jedoch, dass der SFRC, der aus hochfesten, großformatigen Fasern hergestellt wurde, die endgültige Tragfähigkeit nur um 15 % erhöhte, verglichen mit dem SFRC, der aus normalfesten, großformatigen Fasern (L60) hergestellt wurde, obwohl die Ergebnisse der Der Auszugstest zeigte, dass die ultimative Tragfähigkeit der hochfesten Faser fast doppelt so hoch ist wie die der Fasern mit normaler Festigkeit.
For SFRC prepared using fiber blends, positive synergistic effects can be observed for certain combinations of fiber types. In high-strength concrete, however, this effect is only evident at relatively high fiber contents (>80-100 kg/m3). Untersuchungen verschiedener Fasermischungen zeigten, dass sich die Kombination aus Mikrofasern mit Hakenende und geraden Fasern unter solchen Belastungsbedingungen als am vorteilhaftesten erwies. Obwohl die ultimative lokale Druckspannung der beiden verglichenen Fasermischungen nahezu gleich ist, lässt sich erkennen, dass das SFRC mit 50 % großformatigen Fasern und 50 % Mikrofasern (SFRC L60+S60) ein duktileres Verhalten aufweist im Post-Crack-Stadium (im Vergleich zu SFRC L40+M40+S40). Durch die Verstärkungswirkung der Fasermischung kommt ihr positiver Einfluss auf das Trag- und Bruchverhalten insbesondere bei lokaler außermittiger Belastung zum Tragen.
(4)Faserorientierung
Es ist bekannt, dass entlang der Zugspannungsrichtung ausgerichtete Fasern die beste Fähigkeit zur Rissüberbrückung aufweisen. Bei lokaler Flächenbelastung begrenzt in der Regel die Risszugspannung senkrecht zur Belastungsrichtung die tolerierbare lokale Druckspannung und dominiert den Versagensmodus. Daher ist zu erwarten, dass die Faserorientierung einen erheblichen Einfluss auf das Trag- und Bruchverhalten von SFRC unter lokaler Belastung hat. Um diesen Effekt zu untersuchen, wurde die Faserorientierung durch die Herstellung von Proben in vertikaler und horizontaler Schalung kontrolliert und es wurden lokale Flächenbelastungstests an SFRC durchgeführt.
Der Prozentsatz an Stahlfasern (60 kg/m3 großformatige Hakenfasern) in drei Raumrichtungen (x, y, z) relativ zur Belastungsrichtung wurde mit elektromagnetischen Geräten gemessen und die SFRC-Proben wurden mit vertikalen und horizontalen Formen hergestellt wurden verglichen. (150 mm x 150 mm x 300 mm). In der horizontalen Formprobe waren etwa 46 % der Fasern in Belastungsrichtung ausgerichtet. Daher sind im Vergleich zu den stehenden Proben weniger Fasern entlang zweier Richtungen senkrecht zur Belastungsrichtung ausgerichtet, die den Hauptzugspannungsrichtungen der lokalen Flächenlastverteilung entsprechen. Die Ergebnisse zeigen, dass der ultimative lokale Druckspannungswert der in der horizontalen Form hergestellten Probe deutlich reduziert wird (bis zu 23 %). Darüber hinaus ist die Spannungs-Verschiebungs-Kurve nach Erreichen der ultimativen lokalen Druckspannung durch einen starken Spannungsabfall gekennzeichnet, was zu einem weniger duktilen Versagensverhalten führt. Dieser Effekt wurde auch im experimentellen Fall unabhängiger Flächenverhältnisse nachgewiesen.
Bei lokaler Flächenbelastung ist der Einfluss auf die dominante Ausrichtung der Fasern in Abhängigkeit von der Betonierrichtung (vertikale/horizontale Schalung) stärker ausgeprägt, da hier die Hauptzugspannungen vor allem in Querrichtung (senkrecht zur Schalung) wirken Belastungsrichtung).
• Fasergröße:
Auf Einzelfaser- und Matrixebene wird das Auszugsverhalten einzelner Fasern durch die Grenzflächenbedingungen, die Faserform und den Faserneigungswinkel relativ zum Riss gesteuert. Es wurde ein semianalytisches Modell entwickelt, das die Auszugskraft-Weg-Beziehung einer einzelnen Faser vorhersagt, die von der Position des Faserschwerpunkts und dem Neigungswinkel relativ zur Rissebene abhängt. Das Modell ist in der Lage, die Hauptmechanismen zu erfassen, die während des Herausziehvorgangs einer einzelnen in eine Betonmatrix eingebetteten Stahlfaser aktiviert werden (Begradigung des Hakenendes, Betonabplatzungen und Faserbruch) und dabei unterschiedliche Konfigurationen von Fasertyp und -festigkeit zu berücksichtigen. Betonfestigkeit, Faserneigungswinkel und Einbettungslänge.
• Rissgröße:
Auf der Ebene der Risse im Faserbetonverbund werden die durch die Risse hindurchtretenden Fasern aktiviert und sorgen für eine vom Fasergehalt und der Faserorientierung abhängige Restfestigkeit nach dem Riss. Im mehrstufigen SFRC-Modell wird die Reaktion nach dem Riss durch eine Dehnungstrennungsmethode angenähert, die die Faseranisotropierichtungen berücksichtigt, indem sie die Auszugskraft-Verschiebungsbeziehungen aller einzelnen Fasern, die durch den Riss laufen, integriert.
• Strukturmaße:
Auf der Strukturskala wird das Verhalten nach dem Bruch durch ein diskretes Rissmodell erfasst, das auf kondensierten Grenzflächenelementen basiert. Zwischen regulären finiten Elementen (Volumenelementen) werden Schnittstellenelemente eingefügt, die eine diskrete Kartierung der Risse ermöglichen und direkt Informationen zur Rissbreite liefern. Das Verhalten der Grenzflächenelemente wird durch Streckungstrennungsregeln bestimmt, die aus mehrstufigen SFRC-Modellen auf der Rissskala abgeleitet werden. Um das Vorhandensein von Stahlstäben zu berücksichtigen, wurde außerdem eine netzunabhängige, kontaktbasierte Darstellung diskreter Stahlstäbe entwickelt. Die Stahlstäbe werden als Fachwerkelemente modelliert und über Einschränkungen, die sich zwischen Kontrollpunkten auf den Stahlstabelementen und ihren Projektionspunkten in den eingebetteten Volumenelementen befinden, an die Betonmatrix gekoppelt. Der Bond-Slip-Mechanismus wird in den Randbedingungen berücksichtigt, außerdem werden die elastisch-plastische v.Mises-Fließfläche und die lineare Verfestigung des Stahls berücksichtigt.
