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Modularisierte Tragstrukturen aus nachträglich vorgespannten Carbonbetonbauteilen auf Basis von Trockenfugen und Computertomographie

Antragsteller

Prof. Dr. sc. techn. Mike Schlaich Technische Universität Berlin, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Massivbau

Prof. Dr.-Ing. Sven Simon Universität Stuttgart, Institut für Parallele und Verteilte Systeme

Bearbeiter

Dr.-Ing. Alex Hückler Technische Universität Berlin, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Massivbau

Martin Rettinger, M. Sc. Technische Universität Berlin, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Massivbau

Andre Prziwarzinski, M. Sc. Technische Universität Berlin, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Massivbau

Peter Gänz, M. Sc. Universität Stuttgart, Institut für Parallele und Verteilte Systeme

Jajnabalkya Guhathakurta, M. Sc. Universität Stuttgart, Institut für Parallele und Verteilte Systeme

Projektbeschreibung

Gegenstand dieses Vorhabens ist es, Berechnungsgrundlagen für modularisierte Tragstrukturen aus vorgespanntem Carbonbeton mit Trockenfugen für den individuellen Brücken- und Hoch- sowie Industriebau zu schaffen. Tragwerke aus Carbonbeton sind insbesondere dann wirtschaftlich, wenn die Carbonbewehrung zum Vorspannen des Betons genutzt werden kann. Die Vorspannung mit Carbon ermöglicht schlankere Querschnitte und führt somit durch Materialeinsparung zu einer wirtschaftlicheren Bauweise, die dauerhaft und robust ist [1]. Im geplanten Vorhaben werden Tragstrukturen so segmentiert, dass diese – nach hochpräziser Fertigung und modular zusammengesetzt mit nachträglicher Vorspannung – eine effiziente Bauweise ermöglichen. Effizient ist diese Bauweise deshalb, weil es durch die Verwendung von nicht-korrodierenden Spanngliedern aus Carbon ohne weiteres möglich werden soll, die Schnittstelle der Module als Trockenfuge ohne weiteren Korrosionsschutz auszubilden. Die in dem Schwerpunktprogramm angestrebte Modulbauweise, bei gleichzeitiger Begrenzung des Einzelgewichtes der Module auf bis zu eine Tonne, bedeutet eine starke Zunahme der Modulzahl und damit eine Zunahme der Fugenbereiche sowohl quantitativ als auch hinsichtlich ihrer Bedeutung und Kosten. Deshalb stehen die Fügeprinzipien der angestrebten Modulbauweise mittels Carbonspanngliedern sowie die Charakterisierung, Vermessung und Toleranzanalyse der Fugenbereiche mittels industrieller Computertomographie im Fokus dieses Vorhabens. Weiterhin soll das Betongefüge in hochbelasteten Bereichen mittels Computertomographie auf Inhomogenität bzw. Lufteinschlüsse untersucht werden, um exakte Festigkeiten zu prognostizieren und auf Basis der individuellen Prüfung den Teilsicherheitsbeiwert für das Material anzupassen. Durch diese Anpassungen kann die Kosteneffizienz für die in dem SPP angestrebte modulare Bauweise im Fließfertigungsprozess signifikant erhöht werden.

Abbildung 1: Modularisierte Tragstrukturen aus vorgespanntem Carbonbeton
Abbildung 1: Modularisierte Tragstrukturen aus vorgespanntem Carbonbeton

Die industrielle Computertomographie wird im Maschinenbau zur Qualitätsprüfung (Zerstörungsfreie Prüfung = ZfP) von Bauteilen und zum dimensionellen Messen von Werkstücken verwendet, siehe Abbildung 2 a). Dies ist auch für das hier vorgestellte Vorhaben relevant, in dem Fugenstrukturen in digitalisierter Form mittels Computertomographie hinsichtlich der Toleranzen untersucht werden sollen, siehe Abbildung 2 b). In der ersten Phase des Schwerpunktprogramms soll in dem Vorhaben das sog. dimensionelle Messen auf Basis der industriellen Computertomographie als Charakterisierungsmethode für die Fugen und Fügeprinzipien im belasteten und unbelasteten Zustand verwendet werden. In der zweiten Phase des Schwerpunktprogramms sollen die eingesetzten Computertomographie-Methoden in den Fließfertigungsprozess integriert werden. Diese Perspektive schließt sich unmittelbar an die sog. Inline-Computertomographie zur 100%-Prüfung aller Bauteile in der Fertigung an, die derzeit in der Produktionstechnik des Maschinenbaus erforscht und eingesetzt wird.

Poster zu den Projektinhalten

Abbildung 2a): Bauteiltoleranzen im Maschinenbau,
Abbildung 2a): Bauteiltoleranzen im Maschinenbau,
Abbildung 2b): Computertomographie-Aufnahmen einer Beton-Fuge
Abbildung 2b): Computertomographie-Aufnahmen einer Beton-Fuge

Veröffentlichungen

[3] Sun, K.; Tran, T.; Guhathakurta, J.; Simon, S., FL-MISR: Fast Large-Scale Multi-Image Super-
Resolution for Computed Tomography Based on Multi-GPU Acceleration, Journal of Real-Time Image
Processing, accepted, pp.1-13, available at arXiv:2108.04315, 2021 .

[2] Rettinger, M.; Hückler, A.; Schlaich, M.
Technologien und Entwicklungen im Segmentbrückenbau
Beton- und Stahlbetonbau 116, Sonderheft Schneller bauen S2, September 2021, S. 12–23.
(https://doi.org/10.1002/best.202100054)

[1] Schlaich, M.; Simon, S.; Rettinger, M.; Gänz, P. Guhathakurta, J:
Modularisierte Tragstrukturen aus nachträglich vorgespannten Carbonbetonbauteilen auf Basis von Trockenfugen und Computertomographie.
In: BetonWerk International Nr. 2, 2021, S. 19-20
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Abschlussarbeiten

2022

[6] Köppe, M. A.
Segementbrückenbau und Computertomographie – Konzeption einer Schalung und Vorspannvorrichtung zur Untersuchung der Kontaktflächenpassung von Trockenfugen
Bachelor-Thesis, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, TU Berlin, 2022

2021

[5] Jötten, C.
Analysis of network arch road bridges with CFRP hangers
Master-Thesis, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, TU Berlin, 2021

[4] Ilin, P.
Entwurf und Berechnung einer Segmentbrücke mit Carbonspanngliedern
Master-Thesis, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, TU Berlin, 2021

[3] Ahmad, F.
Entwurf und Bemessung einer Eisenbahnüberführung als Spannbetonbrücke mit Carbonspanngliedern
Master-Thesis, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, TU Berlin, 2021

[2] Saad, M.
Carbonspannglieder im Segmentbrückenbau
Master-Thesis, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren, Universität Stuttgart, 2021
(Co-Betreuung durch Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, TU Berlin)

2020

[1] Meyer, M.
Nachhaltigkeitsbewertung von carbonfaserverstärkten Kunststoffen im Bauwesen
Bachelor-Thesis, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, TU Berlin, 2020