Diplomarbeit (abgeschlossen)

Andreas Rheinlaender

Bauingenieurwesen

Auswertung und Analyse zeitabhängiger Festigkeitsentwicklungen von Spritzbeton sowie Implementierung eines Stoffgesetzes für Spritzbeton in ein Finite-Element-Materialmodel

Spritzbeton ist ein wesentliches Stützmittel im konventionellen Tunnelbau. Durch den Einsatz von Spritzbeton wird ein hohlraumloses, bündiges Anschließen der Sicherung an das Gebirge gewährleistet. Durch den Verbund mit dem Beton wird das Gebirge befähigt, sich in Hohlraumumgebung selbst zu tragen. Die dazu erforderlichen Spannungsumlagerungen können nur auftreten, wenn die damit verbundenen Deformationen vom Ausbau zugelassen werden. Der Spritzbeton muss schon früh eine gewisse Tragfähigkeit aufweisen, da er im Alter von nur wenigen Stunden belastet wird. Darüber hinaus werden dem noch im Erhärtungsprozess befindlichen Spritzbeton Verformungen aufgezwungen, die vor allem in druckhaftem Gebirge besonders groß sind. Damit diese Verformungen bruchfrei aufgenommen werden können, ergeben sich besondere Anforderungen an die Duktilität und das Kriechvermögen des Spritzbetons. Für die Beurteilung der Tragreserve von Spritzbeton über den Beanspruchungsgrad ist die Kenntnis seiner mit der Zeit veränderlichen Spannungen und Festigkeiten erforderlich.

In der Literatur gibt es zwei Ansätze zur mathematischen Beschreibung des Materialverhaltens von Spritzbeton: Zum einen die Fließratenmethode nach SCHUBERT, die auf der Berücksichtigung der Spannungsgeschichte basiert und die Verformungen in elastische, verzögert elastische sowie viskose Dehnungsanteile einteilt. Zum anderen ein Kriechgesetz von ALKHIAMI zur Beschreibung der Kriechdehnung in Abhängigkeit der Spannungen und der Zeit, das sich auf Erkenntnissen aus dem Materialverhalten von Ortbeton stützt. Eine einfache Möglichkeit, analytisch den benötigten Ausbauwiderstand einer nachgiebigen Sicherung zu ermitteln, bietet das Kennlinienverfahren. Um den dafür maximal mobilisierbaren Ausbauwiderstand realitätsnah abzuschätzen, ist eine genaue Kenntnis der zeitabhängigen Festigkeitsentwicklung des Spritzbetons notwendig. Die mechanischen Eigenschaften des Spritzbetons können aber von unterschiedlichen Faktoren wie dem w/z-Wert, der Gesteinskörnung, Zusatzstoffen, Zusatzmitteln oder der Herstellungsweise beeinflusst werden. Gemäß der Fließratenmethode wird gerade für die Ermittlung der zeitabhängigen Entwicklung der Festigkeit aber nur die Endfestigkeit des Spritzbetons berücksichtigt.

Mittels eines numerischen Modells können die auftretenden Spannungen und Verschiebungen im Spritzbeton realitätsnah auf der Basis eines entsprechenden Materialmodells, welches das Stoffgesetz von Spritzbeton ausreichend abbildet, berechnet werden.

In dieser Diplomarbeit soll einerseits die zeitabhängige Festigkeitsentwicklung untersucht werden, um genauere Aussagen zum analytisch berechneten Ausbauwiderstand zu ermöglichen. Zudem sollen Daten aus einem bereits abgeschlossenen Tunnelbauprojekt ausgewertet werden, um die bestehenden Ansätze zu optimieren bzw. ein Versuchskonzept für mögliche Ergänzungen der Ansätze zu erarbeiten. Andererseits soll ein ausgewähltes Stoffgesetz von Spritzbeton in ein Materialmodell der Software Plaxis 2D integriert werden.

Lehrstuhl und Betreuer

Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb
(Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes)

Lehrstuhllogo

Betreuung

Dipl.-Ing. Anna-Lena Wiese