Frischbetondruck bei Verwendung von Selbstverdichtendem Beton

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1 Frischbetondruck bei Verwendung von Selbstverdichtendem Beton Ein wirklichkeitsnahes Modell zur Bestimmung der Einwirkungen auf Schalung und Rüstung Vom Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Ing. Tilo Proske aus Cottbus/Brandenburg Darmstadt 2007 D17

2 INHALTSVERZEICHNIS SYMBOLE, ABKÜRZUNGEN UND BEGRIFFE VU 1 EINLEITUNG Problemstellung Zielsetzung Prinzipielle Vorgehensweise 2 2 STAND DER TECHNIK Einführung Normen und Regelwerke zur Berechnung des Frischbetondrucks Frischbetoneigenschaften von Selbstverdichtendem Beton Einführung Rheologische Eigenschaften Blockierverhalten Gefugestabilität Entlüftungsverhalten Konsistenzhaltung/Robustheit Einfluss der Ausgangsstoffe auf die Frischbetoneigenschaften von SVB Interpartikulare Wechselwirkungen im Frischbeton Ansteifen und Erstarren von Frischbeton Mischungskonzepte für Selbstverdichtenden Beton Reibungsverhalten von Frischbeton Allgemeines Haft- und Gleitreibung an Gleitflächen Kohäsion Geschmierte Gleitflächen Reibung zwischen Beton und Schalung sowie Beton und Bewehrung Innere Reibung von Frischbeton Baubetriebliche Aspekte Typisierung der Betonschalungen Schalhaut Betontrennmittel Einbau von fließfahigem Beton Wirtschaftliche Auswirkungen des Frischbetondrucks 59

3 2.6 Modellvorstellungen und Berechnungskonzepte zur Bestimmung des Frischbetondrucks sowie normative Umsetzung Allgemeines Hydrostatischer Ansatz Bodenmechanische Ansätze bei konstantem Materialverhalten Bodenmechanische Ansätze bei zeitlich veränderlichem Materialverhalten Ansatz nach der Silotheorie bei konstantem Materialverhalten Ansatz nach der Silotheorie unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Reibung über Theologische Kennwerte Rheologische Ansätze Berechnung des Frischbetondrucks über den Wasserverbrauch infolge Hydratation und über die Permeabilität des Frischbetons Empirisch abgeleitete Ansätze Vergleich verschiedener Berechnungsansätze zur Bestimmung des maximalen Frischbetondrucks Druckverlauf über die Schalungshöhe Untersuchungen zum Frischbetondruck bei Verwendung von Selbstverdichtendem Beton Einführung Verfahren zur Messung des Frischbetondrucks Betoniergeschwindigkeit Erstarrungszeiten Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel Gesteinskörnungen Rheologische Eigenschaften bzw. Frischbetonkonsistenz Gefügestabilität Permeabilität Schalungsoberfläche Einbauprozess Eignung vorhandener Modelle zur Berechnung des Frischbetondrucks bei Selbstverdichtendem Beton Zusammenfassung 94 II

4 3 EXPERIMENTELLE BESTIMMUNG DES FRISCHBETONDRUCKS AN STÜTZEN UND WÄNDEN Einführung Frischbetondruck an schlanken Stützen Allgemeines Geometrie, Schalung und Bewehrung Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung Versuchsprogramm Verwendete Betone Auswertung und Darstellung der Ergebnisse Frischbetondruck an hohen Wänden Einführung Bauvorhaben Steinbruch Seebach Bauvorhaben Pflegeheim Rheinstetten Zusammenfassung THEORETISCHE UND EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN DER RELEVANTEN MATARIALKENNGRÖSSEN VON SVB Einführung Entwicklung einer Versuchsapparatur zur Bestimmung des Seitendruckbeiwertes und des Reibungswiderstandes Allgemeines Aufbau der Versuchsapparatur Simulation einer geringeren Schalungssteifigkeit bzw. eines Schalungsversagens Simulation einer Bewehrung Simulation von Erschütterungen Messung der horizontalen Schalungsverformungen Schalungsoberflächen und Trennmittel am Schalungsschwert Kalibrierung und Vorversuche Versuchsprogramm zur Ermittlung des Seitendruckbeiwertes und des Reibungswiderstandes Generelles Versuchsprogramm Versuchsablauf/Versuchsdurchführung Verwendete Betone Versuchsumfang Frischbetoneigenschaften und Erstarrungszeiten 144 III

5 4.4 Ergebnisse der Versuche zum Seitendruckbeiwert Allgemeines Einfluss der Mischungsrezeptur (Versuchsgruppe 4-1) Von der Mischungsrezeptur unabhängige Einflüsse (Versuchsgruppe 4-2) Bauteilbeton (Versuchsgruppe 4-3) Abschätzung des Winkels der inneren Reibung des Frischbetons Statistische Auswertung Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse zum Seitendruckbeiwert Ergebnisse der Versuche zum Reibungsverhalten Vorgehen zur Ergebnisanalyse Ergebnisüberblick Einfluss der Mischungsrezeptur (Versuchsgruppe 4-1) Von der Mischungsrezeptur unabhängige Einflüsse (Versuchsgruppe 4-2) Bauteilbeton (Versuchsgruppe 4-3) Statistische Auswertung Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse zur Reibung Zusätzliche Untersuchungen zur zielsicheren Quantifizierung des Ansteif- und Erstarrungsverhaltens Allgemeines Verwendete Prüfverfahren und Versuchsablauf Untersuchte Betone Ermittelte Erstarrungszeiten und Vergleich der Verfahren Einfluss der Frischbetontemperatur auf die Erstarrungszeiten Zusammenhang zwischen den Erstarrungszeiten der Betone und der eingesetzten Zemente Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse zur Prüfung des Erstarrungsverhaltens Zusammenfassung 213 IV

6 5 BERECHNUNGSANSÄTZE ZUR ERMITTLUNG DES FRISCHBETONDRUCKS AUF SCHALUNGEN Einführung Analytische Modelle zur Berechnung des Frischbetondrucks auf lotrechte Schalungen Annahmen und Randbedingungen Berechnungsansätze unter Berücksichtigung des Ansteif- und Erstarrungsverhaltens Wirklichkeitsnahes Modell zur Bestimmung des maximalen Frischbetondrucks Verifizierung des analytischen Modells anhand von Versuchsergebnissen Allgemeines Vergleich mit eigenen Messergebnissen Vergleich mit Messergebnissen aus der Literatur Schlussfolgerungen Numerische Verfahren zur Berechnung des Frischbetondrucks Allgemeines Beschreibung des gewählten Systems und der Materialparameter Untersuchungsumfang und Vorauswertung Ergebnisse der numerischen Untersuchungen Ergänzende Betrachtungen Einfluss des Einfüllprozesses auf den Frischbetondruck Vertikale Belastung der Schalung infolge Reibung Einfluss der Systemsteifigkeit auf die Druckverteilung Zusammenfassung 257

7 6 VORSCHLAG ZUR BESTIMMUNG DES FRISCHBETONDRUCKS IN DER BAUPRAXIS Einführung Maximaler Frischbetondruck auf Schalungen Berechnungskonzept für lotrechte Schalungen Hydrostatischer Grenzwert Grenzwert nach dem vereinfachten Verfahren - Erstarrungsmodell ohne Silowirkung Grenzwert nach dem genaueren Verfahren - Erstarrungsmodell mit Silowirkung Vergleich des Vorschlages mit anderen Berechnungsansätzen Geneigte Schalungen Frischbetondruck bei Betoneinbau von unten Frischbetondruck bei fließfähigen Rüttelbetonen Druckverteilung über die Schalungshöhe Allgemeines Druckverteilung bei lotrechten Schalungen Druckverteilung bei geneigten Schalungen Zusätzliche Regelungen Vertikale Belastung von Schalung und Bewehrung Berechnung der tatsächlichen Betoniergeschwindigkeit unter Praxisbedingungen Überlegungen hinsichtlich Sicherheit und Zuverlässigkeit Allgemeines Statische Nachweise und obere Grenzwerte des maximalen Frischbetondrucks Bestimmung der Teilsicherheitsbeiwerte Bemessungswert des Frischbetondrucks von SVB zur Dimensionierung von Schalung und Rüstung Zusammenfassung RESÜMEE UND AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS 297 ANHANG A ANHANG B ANHANGC ANHANG D A-l B-l C-l D-l VI