Entwicklung von hybriden Stahlfaserbetontübbings. Experimentelle und numerische Analysen von der Material- bis zur Bauwerksebene

Development of hybrid steel-fibre reinforced concrete tunnel lining segments. Experimental and numerical analyses from material to structural level

Tuebbings sind Serienbauteile grosser Stueckzahl. Es lohnt sich daher, sie bis ins Detail ausgereift zu planen und in Material, Bewehrungskomponenten und Lastuebertragungsbauteilen zu optimieren. Am Beispiel der Querkraftuebertragungspunkte in der Ringfuge von Tunnelinnenschalen wird Beitrag ein grundsaetzliches, im Sonderforschungsbereich (SFB) 837 entwickeltes Konzept zur Entwicklung optimierter Stahlbetontuebbings unter Beruecksichtigung der Material-, Bauteil- und Bauwerksebenen aufgezeigt. Zur Erhoehung der Tragfaehigkeit kritischer, am gekoppelten Tuebbingmodell fuer Bauzustaende identifizierter, Beanspruchungspunkte wurde lokal eingebrachter Stahlfaserbeton verwendet. Parallel zu grundlegenden experimentellen Werkstoffuntersuchungen zum Tragverhalten (Faserauszug, zentrische und Biegezugversuche) sowie zur Faserorientierung in Stahlfaserbeton werden geeignete analytische und numerische Materialmodelle entwickelt und anhand der gewonnenen experimentellen Ergebnisse verifiziert. In Versuchen an realen Bauteilpruefkoerpern, bei denen die Erkenntnisse der Materialuntersuchungen beruecksichtigt wurden, zeigte sich bei Probekoerpern mit lokaler Stahlfaserbewehrung eine deutliche Tragfaehigkeitssteigerung gegenueber solchen mit konventioneller Bewehrung. Gleichzeitig konnte bei Ersteren das erwartete, duktile Bauteilversagen nachgewiesen werden. Auf der Grundlage der zuvor validierten Modelle fuer Einzelfasern wurden numerische Analysen dieser Pruefkoerper durchgefuehrt. Diese zeigen eine gute Uebereinstimmung mit den experimentell ermittelten Tragfaehigkeiten und bestaetigen somit die Eignung des Gesamtkonzepts zur Entwicklung hybrider, robuster Tuebbings fuer den maschinellen Tunnelbau. (A) ABSTRACT IN ENGLISH: Concrete linings are serial products of high quantity. Therefore, a detailed design and an optimisation of materials, reinforcement components and contact points along lining joints leads to more economic solutions. The contribution introduces a prototype concept for the development of optimised concrete lining segments developed in the framework of the Sonderforschungsbereich (SFB) 837, taking the shear coupling mechanisms in circumferential joints of tunnel shells as one component to apply a multi-level approach which covers the material, the element and the structural level. A coupled model of a tunnel lining shell is utilised to identify critical regions of linings on the structural level resulting from construction-induced loading. To increase the bearing capacities of joints, a hybrid concept, adding fibres locally to the concrete mix, is proposed. Numerical models for such hybrid linings on the material and structural level are developed in close association with experimental investigations of the effect of fibre type and orientation on the material behaviour. Laboratory tests as well as numerical simulations of optimised lining components based on findings on the material level are performed. As compared to conventional reinforced components, the local reinforcement using steel fibres leads to a considerable increase of the load bearing capacity as well as of the ductility. A good agreement between the predictions by the numerical model and the laboratory results is obtained. The promising results from this prototype analysis constitute the basis for a further research aiming to the development of robust lining systems for mechanised tunnelling. (A)

• Availability:
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• Authors:
  • Putke, T
  • Song, F
  • Zhan, Y
  • Mark, P
  • Breitenbücher, R
  • Meschke, G
• Publication Date: 2014-11

Language

• German

Media Info

• Media Type: Print
• Features: Figures; References; Tables;
• Pagination: pp 457-66
• Serial:
  • Bauingenieur
  • Volume: 89
  • Issue Number: 11
  • Publisher: Springer-VDI-Verlag GmbH
  • ISSN: 0005-6650

Subject/Index Terms

• ITRD Terms: 6471: Analyse (math); 5567: Belastung; 3471: Bewehrung; 4557: Faser; 4784: Faserbeton; 9073: Form; 2998: Fuge; 3876: Kupplung; 6483: Numerisches Modell; 9109: Prototyp; 5531: Scheren; 9103: Simulation; 4542: Stahl; 3085: Tragfähigkeit; 3385: Tuebbing; 9108: Verbesserung; 6255: Versuch; 5502: Zug (mech)
• Subject Areas: I25: TUNNELENTWURF; I32: ZEMENTBETON;

Filing Info

• Accession Number: 01549931
• Record Type: Publication
• Source Agency: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
• Files: ITRD
• Created Date: Jan 14 2015 3:09PM