Gefügedichter Leichtbeton Charakteristische Eigenschaften und Anwendungen

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1 Fakultät für Bauingenieur wesen und Umweltwissenschaften Gefügedichter Leichtbeton Charakteristische Eigenschaften und Anwendungen Univ.-Prof. Dr.-Ing. K.-Ch. Thienel Inhalt Einleitung Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung (LWA) Eigenschaften gefügedichten Leichtbetons (LC) Anwendungen historische Beispiele aktuelle Beispiele Zusammenfassung 1

2 Gesteinskörnungen für Leichtbetone Vermic ulit Perlit Blähglas Naturbims Blähsc hiefer Blä hto n Kesselsa nd Gesinterte SFA Tuff, Lava Kies, Splitt Leic hte Gesteinskörnung Norm ale Gesteinskörnung Kornrohdichte ρ a [kg/m³] Faust, Thorsten: Leichtbeton im Konstruktiven Ingenieurbau, Ernst & Sohn, 2002 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC LC (Kontaktzone) Blähton Matrix 2

3 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC LC (Kontaktzone) Sandkorn Matrix Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC LC (Kontaktzone) Blähglas Matrix 3

4 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC LC (Kontaktzone) Blähton Matrix Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Wasseraufnahme Wassergehalt [M.-%] Wasseraufnahmezeit [Minuten] Blähton Blähton Blähton Blähschiefer Gesinterte Steinkohlenflugasche 4

5 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Feuchteverteilungen im Korn ursprünglich trockenes Korn kurz nach dem Vornässen ursprünglich nasses Korn nach längerem Trocknen trockener Kern gesättigte Randzone trockene Randzone gesättigter Kern Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Feuchteverteilung - Wasseraufnahme Wasseraufnahme w60 [M.-%] trocknend - vorgenässt Blähton trocknend Blähton vorgenässt Gesinterte Steinkohlenflugasche trocknend Gesinterte Steinkohlenflugasche vorgenässt Ausgangsfeuchte [M.-%] 5

6 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Zusammenhang Vornässgrad - Kornrohdichte Kornrohdichte ρ G [kg/m³] nicht in der Regression berücksichtigt Liapor K-Sand 0/2 mm Vornässgrad [-] Gaspyknometer Zylinder Glaspyknometer Linear (Gaspyknometer) Linear (Glaspyknometer) Linear (Zylinder) Thienel K.-C.: Heavy Lifter Konstruktion und Bautechnik. Beton. 2011(6):6 Eigenschaften von LC Zusammenhang Festigkeit - Rohdichte 120 Würfeldruckfestigkeit [MPa] LC mit Natursand LC mit Leichtsand Hochleistungs-LC 0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Trockenrohdichte [kg/dm³] 6

7 Eigenschaften von LC Festigkeit Die Körnung und die Art des Sandes bestimmen die Festigkeit Die Zusammensetzung der Matrix hat nur sekundären Einfluss Zementgehalt W/Z Zusatzstoffe Würfeldruckfestigkeit flc,cube [N/mm²] Eigenschaften von LC Vergleich Zylinder - Würfel flck,zyl/flck,cube für LC fck,zyl/fck,cube für NC Leichtbeton mit Leichtsand (56d-Werte, I/'95 - II/'99) Leichtbeton mit Natursand (28d-Werte, I/'93 - II/'99) Leichtbeton mit Leichtsand Korn: 440 dm³/m³ Sand: 240 dm³/m³ CEM I 42,5R: 370 kg/m³ 40 Leichtbeton mit Natursand Korn: 440 dm³/m³ Sand: 260 dm³/m³ CEM I 42,5R: 350 kg/m³ 20 Mittelwerte aus der werkseigenen Produktionskontrolle Wasserlagerung nach DIN EN Würfel: 15/15/15 cm; Zylinder: 15/30 cm , Zylinderdruckfestigkeit f lc,zyl [N/mm²] 7

8 Eigenschaften von LC Zuordnung Festigkeit - Rohdichte Rohdichteklasse D1,0 D1,2 D1,4 D1,6 D1,8 D2,0 Rohdichtebereich 800 > 1000 > 1200 > 1400 > 1600 > 1800 [kg/m³] Thienel, K.-Ch.: Beitrag Besonderheiten bei Leichtbeton in DIN FB 100. In: DAfStb-Heft 526 Erläuterungen zu den Normen DIN EN 206-1, DIN , DIN , DIN und DIN EN 12620, 2. überarbeitete Auflage, 2011 Eigenschaften von LC Elastizitätsmodul E-Modul [GPa] Leichtbeton mit Natursand Leichtbeton mit Leichtsand Hochleistungs-Leichtbeton E-Modul nach DIN 4219 DIN E lcm = 9,5 (f lck + 8) 1/3 η E η E = (ρ/2200) 2 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Beton-Trockenrohdichte [kg/dm³] 8

9 LC-Eigenschaften Dauerhaftigkeit a. hohe Porosität / niedrige Permeabilität b. mittlere Porosität / hohe Permeabilität c. hohe Porosität / keine Permeabilität d. geringe Porosität / hohe Permeabilität LC-Eigenschaften Dauerhaftigkeit a. hohe Porosität / niedrige Permeabilität b. mittlere Porosität / hohe Permeabilität c. hohe Porosität / keine Permeabilität d. geringe Porosität / hohe Permeabilität 9

10 LC-Eigenschaften Dauerhaftigkeit Beispiel: Karbonatisierungstiefe 70 Mean depoth of carbonation c [mm] c = 7,5 * t c = 5 * t Duration of free exposure t [a] Thienel K.-C., Schmidt-Döhl F., Feldrappe V.: In-Situ Tests on Existing LWAC Structures. In: 2. International Conference on Structural Lightweight Aggregate Concrete; Juni 2000; Kristiansand, S LC-Eigenschaften Dauerhaftigkeit Beispiel: Chlorideindringwiderstand 0,05 Chloridcontent [M.-%] 0,04 0,03 0,02 Pedestrian bridge Regensburg Pedestrian bridge Baunatal Underpass Dusebach 0,01 0, Distance from the surface [cm] Thienel K.-C., Schmidt-Döhl F., Feldrappe V.: In-Situ Tests on Existing LWAC Structures. In: 2. International Conference on Structural Lightweight Aggregate Concrete; Juni 2000; Kristiansand, S

11 LC-Eigenschaften Dauerhaftigkeit Frost-Tausalz-Widerstand Mittlere Abwitterung [g/m²] Factory hall Reutlingen Post office Marburg Käthe Kollwitz school Church Sarnau Telecomunication Marburg Zerstört Bridge Baunatal St. Albert, Freiburg Bridge Regensburg City Hall, Stockach St. Elisabeth, Salzgitter Lias, Pautzfeld Annahmegrenze Lias, Pautzfeld Lias, Pautzfeld Saving bank Gießen Elementary School, Weilheim Thienel K.-C., Schmidt-Döhl F., Feldrappe V.: In-Situ Tests on Existing LWAC Structures. In: 2. International Conference on Structural Lightweight Aggregate Concrete; Juni 2000; Kristiansand, S LC-Eigenschaften Dauerhaftigkeit Einstufung in Expositionsklassen erfolgt nicht nach Festigkeit Wesentlich ist die Zusammensetzung der Matrix W/Z Zementgehalt LP-Gehalt Nachweis der Eignung der Körnung für XF2 und XF4 11

12 Fakultät für Bauingenieur wesen und Umweltwissenschaften Beispiele LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte Pantheon ( ) 12

13 LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte Pantheon LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte Gulfaks C, Norwegen Nachträglicher Schutzbeton für die Dome der Lagertanks Schwerpunkt der Plattform durfte nicht verändert werden LB 10 mit einer Rohdichte wie kaltes Salzwasser 13

14 LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte South Arne Plattform, Nordsee (2000) C 50 / LC 50 mit drei unterschiedlichen Rohdichten LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte South Arne Plattform, Nordsee Kosten: 180 ( 45) Mio. Kostenreduktion durch LB und Trockendock: ca. 15 Mio. 14

15 LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte Rheinbrücke Köln/Deutz Hauptöffnung LB 45 / 1,8 Endfelder B 55 LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte Optimiertes Brückendesign Rafsundet Brücke Sandhornoya Brücke 15

16 LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte Optimierte Position der Stützen Sandhornoya Brücke LC-Eigenschaften Einstellbare Rohdichte Weltrekord im Freivorbau Stolmasundet Brücke 16

17 Leichtbetonschiffe Dauerhaftigkeit Hervorragende Dauerhaftigkeit Sehr guter Widerstand gegen Ermüdungsbeanspruchung USS Selma (1919) USS Selma (2009) Leichtbetonschiffe Dauerhaftigkeit MS Capella (1943), Museumshafen Rostock 17

18 Heidrun TLP (1995) Dauerhaftigkeit Wassertiefe: 345 m m³ Leichtbeton LC 60 / 2,0 Decklast: t Heidrun TLP 18

19 Heidrun Dauerhaftigkeit Leichtbeton mit Blähtonkörnung und Natursand und einer Dichte von 1950 kg/m 3. Silica-Gehalt: 7 % v. Z. Es standen 36 Bohrkerne mit 2-9 Jahres freier Exposition zur Verfügung. Die niedrigste Aktivierungszeit für Chloridkorrosion (Kriterium: Chloridgehalt 0,09 % des Betons) in 50 mm Tiefe war 120 Jahre. Der Rest der Bohrkerne lieferte Aktivierungszeiten von mehreren hundert Jahren. S. Helland, R. Aarstein, M. Maage: ln-field performance of North Sea offshore platforms with regard to chloride resistance, Structural Concrete, 11 (2010) MPU Heavy Lifter Gleitschalung, Kletterschalung, Vorspannung Innere Abmessung: 50 * 63 m Äußere Abmessung : 92 * 104 m Zuladung: t, Eigengewicht: t Thienel K.-C.: Heavy Lifter Konstruktion und Bautechnik. Beton. 2011(6):6. 19

20 MPU Heavy Lifter Eigenschaften LC35/38 D1,4 Max. Rohdichte beim Ausschalen: 1600 kg/m 3 Temperatur [ C] Raumtemperatur. Rezeptur 1.1 Rezeptur 1.4 Rezeptur 5 Rezeptur 6 Rezeptur 7 1.1: 410 kg CEM III/B 42,5 N kg CEM I 52,5 R 1.4: 275 kg CEM III/B 42,5 N kg CEM I 52,5 R 5: 440 kg CEM I 52,5 N + 90 kg FA + 44 kg MS 6: 250 kg CEM III/B 42,5 N kg CEM I 52,5 N kg FA + 42 kg MS 7: 400 kg CEM III/B 42,5 N + 56 kg MS 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 Zeit [Stunden:Minuten] MPU Heavy Lifter 20

21 Jugendzentrum Anna Landsberger / Berlin LB 15 / 1,1 Wärmedämmung Jugendzentrum Anna Landsberger / Berlin LB 15 / 1,1 Wärmedämmung 21

22 Amts- und Landgericht Frankfurt/O. (2004) LB 15 / 1,2 Wärmedämmung Amts- und Landgericht Frankfurt/O. (2004) LB 15 / 1,2 Wärmedämmung 22

23 Amts- und Landgericht Frankfurt/O. (2014) Wohnhaus Gartmann, Chur Wärmedämmung 23

24 Wohnhaus Gartmann, Chur Wohnhaus Trager (2006) (ap88 Architektenpartnership) LC8/9 D1,0 Wärmeleitfähigkeit λ d = 0,36 W/(mK) 24

25 Details Wohnhaus Trager Wohnhaus Prof. Schlaich (2007) Festigkeit 7,4 MPa ρ d = 0,76 kg/dm 3 Wärmeleitfähigkeit λ = 0,18 W/(mK) 25

26 Wohnhaus Thalmair (2015) Eine Vison... LC8/9 D0,725 Zusammenhang Festigkeit - Rohdichte 120 cube strength [MPa] ,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 dry density [kg/dm³] 26

27 Zusammenhang Festigkeit - Rohdichte cube strength [MPa] ,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 dry density [kg/dm³] Wärmeleitfähigkeit von LC Mess- und Rechenwerte der Wärmeleifähigkeit [W/(mK)] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Z (mit Liapor-Sand) Z (mit Natursand) DIN (mit Liapor-Sand) DIN (mit Natursand) Messwerte 0, Beton-Trockenrohdichte [kg/m³] 27

28 Wohnhaus Thalmair (2015)... wird Realität ( InformationsZentrum Beton/Peters Fotodesign Zusammenfassung Leichtbeton bietet charakteristische Eigenschaften für kreative Planer und ermöglicht es ihnen, anspruchsvolle bautechnische Probleme mit konstruktiver und architektonischer Eleganz zu lösen. Nutzen Sie den leichten Vorteil! 28