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Auswirkungen ermüdungsbedingter Betondegradation auf das Eindringverhalten flüssiger Medien

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[Quelle: https://d-nb.info]

Betonbauteile sind während ihrer Nutzung verschiedensten Expositionen ausgesetzt. Bei Einhaltung der technischen Vorgaben zur Dauerhaftigkeit führen die Einwirkungen einzeln betrachtet nur selten zu einer beschleunigten Schädigung des Bauteils und auch deren Überlagerung muss nicht zwingend eine kritische Schädigung hervorrufen. Vielmehr führen häufig wiederkehrende Belastungen, auch unterhalb der Festigkeit des Betons, zu mikrostrukturellen Schädigungen. Diese können sich bei andauernder Belastung kumulieren und zu einem sogenannten Ermüdungsversagen des Bauteils führen. Gleichzeitig wird aber bereits vor dem Versagen das Eindringen flüssiger oder gasförmiger Medien durch die veränderte Betonstruktur begünstigt. Die eindringenden Stoffe können wiederum potenzielle Schadreaktionen hervorrufen oder beschleunigen. Zusätzlich kann das Eindringen flüssiger Medien durch einen hydraulischen Druck weiter gesteigert werden. Daher ist die Dauerhaftigkeit von Betonbauteilen insbesondere auch durch die Überlagerung mikrostruktureller Schädigungen mit der Zufuhr externer Medien beeinträchtigt. Während die einzelnen Mechanismen bereits ausführlich untersucht wurden, liegen keine abgesicherten Erkenntnisse über deren Interaktionen und die konsekutiven Auswirkungen auf die Degradation vor. Das globale Ziel der vorliegenden Arbeit, die im Rahmen der DFG-Forschergruppe FOR 1498 entstand, war die Erfassung der Auswirkungen einer ermüdungsbedingten Betondegradation auf das Eindringverhalten flüssiger Medien. Dazu wurden die Degradation infolge zyklischer Biegeschwellbelastung, der Transport flüssiger Medien in Beton und das Einwalken einer Flüssigkeit unter überrollenden Reifen, die einen in den Beton gerichteten hydraulischen Druck erzeugen, separat betrachtet und anschließend deren Interaktionen experimentell untersucht und quantifiziert. Die ermüdungsbedingte Degradation wurde in einem Mehrfachprüfstand durch zyklische Biegeschwellbelastung simuliert. Die Degradation des Betongefüges wurde dabei sowohl durch intermittierende Ultraschalluntersuchungen als auch mikroskopisch erfasst. Dabei konnte ein Abfall der Steifigkeit mit zunehmender Lastzyklenzahl als auch mit höherem Spannungsniveau festgestellt und quantifiziert werden. Infolge der zyklischen Belastung entstanden überwiegend neue Mikrorisse im Betongefüge. An entsprechend vorgeschädigten Probekörpern wurden Untersuchungen zum Eindringverhalten flüssiger Medien sowohl durch kapillares Saugen als auch durch Permeation durchgeführt. Dabei konnte eine degressive Zunahme der Wasseraufnahme und der Wassereindringtiefe mit zunehmender Vorschädigung des Betongefüges nachgewiesen werden. Der Effekt des Einwalkens einer Prüflösung konnte in einer Rundlaufanlage nachgestellt werden. Dabei steigerte sich die Eindringtiefe der Prüflösung mit zunehmender Anzahl an Überrollungen und größerer mikrostruktureller Schädigung. Die Auswirkungen des Einwalkens beschränkten sich aber auf wenige Zentimeter unter der Oberfläche. Darüber hinaus gelang es, den Permeationsdruck im Betongefüge tiefenabhängig sowohl unter konstanter als auch alternierender hydraulischer Beanspruchung zu erfassen und die Abhängigkeiten zur Höhe und Frequenz der Beanspruchung zu bestimmen. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse zu den Interaktionen der einzelnen Mechanismen können Eingang in die Bewertung und Prognose der Degradationsprozesse entsprechend exponierter Betonbauteile finden.

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Nachhaltiges Bauen mit Beton - Band 1: Graue Emissionen und Lösungsansätze zum Klimaschutz
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Lean Construction
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Dauerhaftigkeit von Betonbauteilen in Parkbauten
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Hintergründe und Erläuterungen zum DBV-Merkblatt (Fassung 2018)
Fassung Januar 2021.
2021, 145 S., 106 Abb., 17 Tab., Softcover

 

 

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Begrenzung der Rissbildung im Stahlbeton- und Spannbetonbau. Hintergründe und Erläuterungen zum DBV-Merkblatt
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2020, 124 S., 65 Abb.,, Softcover

 

 

Das DBV-Heft 38 erscheint als Ergänzung zum DBV-Merkblatt ?Begrenzung der Rissbildung im Stahlbeton- und Spannbetonbau?. Während das Merkblatt geeignete planerische Entwurfsgrundsätze definiert und Hinweise zur wirkungsvollen Verteilung der Risse und zur Begrenzung ihrer Breite gibt, stellt dieses ergänzende DBV-Heft 38 vertiefend einige Hintergründe zur Thematik der Rissbeherrschung dar. Es enthält weitere Hinweise, Empfehlungen und Beispiele über die des Merkblatts hinaus ? insbesondere zur Tragwerksplanung.

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Ausführungsvarianten für dauerhafte Bauteile in Parkbauten - Beispielsammlung
DBV-Heft, Band 42
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Wolfram Jäger, Angelika Mettke, Hassan Youssef, Stephanie Schmidt, Viktoria Arnold, Christian Matthes, Jakob Fischer
Entwicklung und Anwendung von komplett demontablen Wohneinheiten aus ressourcenschonendem Beton - RC-WE-Modul
Abschlussbericht.
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Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Demonstration einer massiven, modularen, transportablen und voll demontablen/recyclinggerechten Wohneinheit für die schnelle Bereitstellung von Wohnraum und ggf. temporären Unterkünften, die am Ende ihrer Nutzungszeit umsetzbar sind. Dabei waren die Anforderungen der Next-Generation-Buildings zu erfüllen und Stoffkreisläufe nach dem Prinzip Cradle to Cradle (kreislaufgerechtes Bauen auf Bauteilebene) zu schließen, d. h. flexibel (schnell, demontierbar, anpassungsfähig etc.), schadstofffrei und ressourcenschonend mit System (modulare Bauweise) zu bauen. Dazu gehören die sortenreine Trennbarkeit und die Wiederverwendbarkeit ganzer Bauteile des Rohbaus sowie deren nachhaltige Herstellung durch die Nutzung von Recyclingmaterial. Einmal hergestellt, befinden sich ganze Module im Nutzungskreislauf ohne eine Zerstörung am Nutzungsende. Daher wird mit der Wiederverwendungsoption ein Beitrag zur Werterhaltung geleistet (Upcycling). Bei dem Projekt standen die Erprobung der erarbeiteten Grundlagen und die Optimierung von wiederholbaren, adaptiven Konstruktionslösungen sämtlicher Gebäudeteile im Mittelpunkt.

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Daniel Schmeer, Benjamin Schönemann, Olga Arkhipkina, Walter Haase, Harald Garrecht, Oliver Sawodny, Werner Sobek
Entwicklung einer ökologischen und ökonomischen Bauweise durch den Einsatz vorgefertigter multifunktionaler Wandbauteile aus gradiertem Beton
Abschlussbericht.
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2020, 130 S., 96 Abb. u. 37 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Bauwesen steht vor der Herausforderung, für mehr Menschen mit weniger Materialaufwand mehr zu bauen. Dies erfordert die Entwicklung neuer Technologien, die auf ein möglichst leichtes Bauen, die Minimierung des Verbrauchs an fossil erzeugter Energie sowie der vollständigen Rezyklierbarkeit der Bauteile abzielen. In diesem Kontext bestand das Ziel des Forschungsvorhabens in der Entwicklung von rein mineralischen, multifunktional gradierten Wandbauteilen, welche in der Lage sind, die Anforderungen an die Tragfähigkeit, die Dauerhaftigkeit, das architektonische Erscheinungsbild sowie den Wärmeschutz zu erfüllen. Eine deutliche Massenersparnis, eine signifikante CO2-Reduktion sowie eine sortenreine Rezyklierbarkeit gegenüber herkömmlichen Massivbauteilen sollten erzielt werden. Das Ziel des Forschungsprojektes konnte durch die Entwicklung von rein mineralischen multifunktional gradierten Wandbauteilen, welche den tragstrukturellen und bauphysikalischen Anforderungen gerecht werden, erreicht werden. Hierzu konnten sowohl die Berechnungsansätze auf der Basis normativer Regelungen formuliert und validiert werden, als auch die zielführenden Verfahren zur Bauteilherstellung identifiziert und weiterentwickelt werden. Zum Abschluss des Projektes konnte mit der Technologie eine Masseneinsparung von rund 60 % gegenüber Massivwänden mit Wärmedämmverbundsystem erzielt werden, bei vergleichbaren Baukosten. In nachfolgenden Projekten gilt es die erzielten Lösungen final zu erforschen und weiterführende Versuche durchzuführen, um die Technologie letztlich praxisreif zu machen.

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Lars Meyer, Serdar Bilgin, Sebastian Filusch, Thomas Freimann, Ulli Heinlein, Knut Herrmann
Bauwerksabdichtung mit Frischbetonverbundfolie - Grundlagen zur Erstellung eines Regelwerks für eine innovative Bauart
Abschlussbericht.
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2020, 249 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
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Frischbetonverbundsysteme (FBVS) werden in Deutschland i. d. R. als zusätzliche wasserseitige Abdichtungsebene auf wasserundurchlässigen Stahlbetonkonstruktionen (WU-Betonkonstruktion) angeordnet. Diese Form der Bauwerksabdichtung wird in Deutschland vermehrt seit 2012 eingesetzt und ist als neue Bauart bisher keinen Regelwerken zuzuordnen. Zum einen werden die FBVS i. d. R. nicht als eigenständige Abdichtung nach DIN 18533 angesehen, zum anderen werden sie derzeit nicht in der DAfStb-Richtlinie "Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton" behandelt. Der Verwendbarkeitsnachweis wurde bisher über allgemein bauaufsichtliche Prüfzeugnisse (abP) erbracht, der allerdings nicht auf einheitlichen Prüfgrundsätzen beruhte. Wesentliche Merkmale verschiedener Produkte können daher nur schwer miteinander verglichen werden. Neben diesen Unklarheiten zur Vergleichbarkeit von Produkten sind am Markt nach wie vor zahlreiche Planungs- und Anwendungsfragen zur Bauart vorhanden.

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Matthias Pahn, Dirk Bayer, Sven O. Krumke, Christian Caspari, Tillman Gauer, Dirk Miguel Schluppkotten, Michael Holzhauser, Torsten Weiler
Großdemonstrator - Multifunktionale Betonfertigteile für energetisch nutzbare Gebäudetragstrukturen. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3135
2019, 100 S., 64 Abb. u. 28 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Entwicklung und Umsetzung des Großdemonstrators Smallhouse IV. Hierbei wird ein Gebäudeenergiekonzept erarbeitet, welches die Gebäudemasse aktiv zur Wärmespeicherung heranzieht. Ähnlich wie in Solaraktivhäusern soll die gesamte Wärmebereitstellung mittels einem minimalen primärenergetischen Bezug gewährleistet werden. Hierfür soll jedoch die solare Wärme nicht in überdimensionalen Wasserspeichern, sondern in der vorhandenen Gebäudemasse gespeichert werden. Zu diesem Zweck werden thermisch aktivierte Betonfertigteile entwickelt, die neben ihren statischen Aufgaben auch die thermischen Funktionen Wärmedämmung, Wärmespeicherung und Temperierung übernehmen. Diese Bauteile werden als multifunktionale Betonfertigteile bezeichnet.

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Holger Falter, Volker Schmid, Jonas Schmidt, Tobias Nettekoven
Entwicklung eines modularen Fachwerkträgers aus HPC-Fertigteilen und gezahnten Hochleistungs-Verbindungsdetails. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3088
2019, 220 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Große Betonfertigteile lassen sich entweder gar nicht oder nur mit großem Aufwand transportieren. Daher werden hochbeanspruchte Verbindungen im Stahlbetonbau noch monolithisch vor Ort betoniert. Dies ist mit einem großen Platzbedarf, einer aufwändigen Baustelleneinrichtung und großen Herausforderungen zur Sicherstellung der Qualität, bedingt durch Witterungseinflüsse auf der Baustelle, verbunden. Es wird ein weitspannender, modularer Referenzfachwerkträger aus Hochleistungsbeton entworfen, dessen einzelne Elemente mit Hilfe einer innovativen Verbindungstechnologie einfach hergestellt und effizient gefügt werden können. Der Entwurf des modularen Referenzfachwerkträgers umfasst Studien zur Geometrieoptimierung, zu Segmentverbindungen, zum Montagekonzept und den Bauzuständen, zum Brandschutz und zur Dauerhaftigkeit. Die daraus resultierenden Anforderungen liefern die Grundlage zur Entwicklung der Verbindung.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Mehl, Robert
Wiedergeburt eines Bauwerkes: Treppenskulptur "Striatus" (kostenlos)
BFT International, 2023

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Ufermann-Wallmeier, Daniel; Harnisch, Jörg; Judith, Eckhard
Verwendung von recycliertem Betonbrechsand als Basis für alkalisch aktivierte Betone (kostenlos)
BFT International, 2023

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Valigi, Maria Christina; Logozzo, Silvia; Galletti, Luca; Bachini, Lorenzo
Worn concrete mixer components and digital wear maps (kostenlos)
BFT International, 2023

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Touilbi, Abdelhak; Brühwiler, Eugen
Neuartige Methode zum Ermüdungsnachweis bestehender Straßenbrücken mittels Monitoring. Anwendungsbeispiel einer Straßenbrücke in der Schweiz
Beton- und Stahlbetonbau, 2022

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Amadi, Ichebadu G.; Beushausen, Hans; Alexander, Mark G.
Alternativen zu natürlichen Gesteinskörnungen für den Betonbau
BWI - BetonWerk International, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022