Geschäftsfeld Sicherheit

Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI

UHPC - Verbesserung des Widerstandes von Tunnelbauwerken bei dynamischen Einwirkungen

Mikrogefüge von Beton, oben: Normalbeton, unten: Faserbewehrter UHPC.

Tunnel sind in der heutigen Verkehrsinfrastruktur unverzichtbare Bauwerke mit einer großen verkehrstechnischen und wirtschaftlichen Bedeutung. Oftmals werden diese im Zuge von wichtigen nationalen und internationalen Verkehrstrassen gebaut, um dem Transitverkehr eine zügige und kurze Passage zu ermöglichen. Aufgrund dieser Bedeutung gelten Tunnelbauwerke neben den Brücken als kritische Elemente der Verkehrsinfrastruktur, deren Ausfall zu erheblichen Störungen sowohl im Verkehrsfluss als auch in der Wirtschaft und für die Gesellschaft mit sich bringen kann. In Forschungsprojekten der nationalen Sicherheitsforschung im Rahmen der High-Tech Strategie der Bundesregierung "Forschung für die zivile Sicherheit" werden Tunnelbauwerke als kritische Bauwerke der Verkehrsinfrastruktur analysiert und Möglichkeiten erarbeitet, wie das Widerstandsverhalten gegenüber extremen (dynamischen) Einwirkungen verbessert werden kann, um so die negativen Effekte im Falle einer Belastung zu minimieren.

 

Das Fraunhofer EMI befasst sich in einem Arbeitsschwerpunkt mit der Bewertung von baulichen Strukturen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Darin ist das Arbeitsgebiet der Entwicklung und der dynamischen Charakterisierung von Bauwerkstoffen, wie beispielsweise Betone, eingegliedert. Die Materialeigenschaften und das Materialverhalten werden in dynamischen Labor- und Bauteilversuchen untersucht. Dieses trägt wesentlich zum Verständnis des Materialverhaltens bei.

 

Seit Mitte der Neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts werden zunehmend aufgrund der veränderten Sicherheitslage auch sicherheitsrelevante Überlegungen, wie beispielsweise die Ertüchtigung von Betonen und Strukturen im Hinblick auf das dynamische Verhalten, betrachtet. Die Erhöhung der Sicherheit von Tunnelbauwerken gegen extreme Einwirkungen wird dabei maßgeblich durch den verwendeten Baustoff der Tragstruktur beeinflusst. Bisher werden hauptsächlich normalfeste Betone monolithisch oder in Tübbingbauweise eingesetzt. Infolge einer dynamischen Einwirkung in einem Tunnel, wie sie beispielsweise durch eine Detonation hervorgerufen werden kann, kommt es lokal zur Schädigung des Materialgefüges. Abplatzungen und Kraterbildung sind die Folge, was den tragfähigen Bauteilquerschnitt vermindert und somit die Tragfähigkeit des Bauwerks reduziert. Um die Tragfähigkeit und die Funktionsfähigkeit von Tunnelbauwerken auch bei extremen Belastungen zu erhalten, bietet sich der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen, die ein verbessertes Widerstandsverhalten gegenüber statischen und dynamischen Belastungen aufweisen, an. Forschungsentwicklungen im Bereich des Betonbaus reichen national und international bereits 3 Dekaden zurück. Dabei wurden kontinuierlich die Trageigenschaften des Betons verbessert. Ziel war es, vorrangig die Druckfestigkeit zu erhöhen, um höhere und höher belastbare Bauwerke in Beton errichten zu können. In dieser Entwicklung etablierte sich die Klasse der Hochleistungsbetone. Heute zählen der hochfeste Beton (HPC, engl.: high-performance concrete) und der ultra-hochfeste Beton (UHPC, engl.: ultra-high performance concrete) zu dieser Klasse. Am Fraunhofer EMI wird in diesem Kontext das Verhalten von Betonwerkstoffen bei hochdynamischen Einwirkungen untersucht und deren dynamische Eigenschaften ermittelt. Ausgehend von normalfesten Betonen erfolgte bislang die dynamische Charakterisierung bis hin zu Hochleistungsbetonen.

 

Mit einer bis zu 7-mal höheren Druckfestigkeit und einem stark verbesserten Energieabsorptions­vermögen weist beispielsweise der UHPC bereits eine starke Reduktion der Schädigung bei extremen Einwirkungen auf. Aufgrund des dichten Gefüges besitzt der UHPC zudem einen großen Diffusionswiderstand, der einen besseren Korrosionsschutz von Stahlelementen im Beton liefert und die Dichtigkeit von Betonstrukturen im Grundwasser erhöht, was dessen Einsetzbarkeit auch bei unterirdischen Bauwerken, wie Tunnel, begünstigt. Die Abbildung oben zeigt den Vergleich der Mikrostruktur zwischen Normalbeton und UHPC. Der UHPC erscheint dabei viel homogener, da dem Material eine sehr gut abgestufte Gesteinskörnung mit einem hohen Anteil an Feinstzuschlägen zugrunde liegt.

Mit steigender Druckfestigkeit verhält sich jedoch der Beton zunehmend spröde. Durch den Einsatz von duktilen und hochfesten Fasern (zum Beispiel Stahlfasern) kann diese negative Eigenschaft kompensiert und gleichzeitig die Trageigenschaften des Materials positiv beeinflusst werden. Die hohe Festigkeit bewirkt eine geringere Schädigung bei hohen Belastungen, die Fasern tragen wesentlich zum Zusammenhalt des Gefüges bei. Die Tragfähigkeit geschädigter Querschnitte wird erhöht, was das Risiko eines globalen Bauwerksversagens mindert.

In diesem Kontext wurde im Forschungsprojekt "Automatisierte Informationsgewinnung und Schutz kritischer Infrastruktur im Katastrophenfall (AISIS)", gefördert durch das BMBF, in Zusammenarbeit mit dem KIT-IBM, ein brandresistenter ultra-hochfester Beton entwickelt und dessen Verhalten unter dynamischer Belastung untersucht. Da extreme Einwirkungen in Tunnelbauwerken meistens mit einer hohen Brandbelastung einhergehen, wurde die Rezeptur im Projektverlauf so optimiert, dass die Schädigung durch Abplatzungen infolge einer hohen Temperaturbeanspruchung reduziert werden konnte. Hochleistungsbetone sind aufgrund ihrer sehr dichten Mikrostruktur besonders anfällig gegenüber hohe Temperaturen, was sich in einem größeren Abplatzverhalten äußert, da Kapillarporen fehlen, in die sich der sich bildende Dampfdruck ausdehnen kann. Querschnittsminderungen und Tragfähigkeitsverlust sind die Folge. Durch den Einsatz von Kunststofffasern ist es möglich, den Brandwiderstand zu erhöhen, da diese Fasern bei höheren Temperaturen schmelzen und ein Kapillarporennetz freigeben.

Die dynamische Charakterisierung von Betonen erfolgt am Fraunhofer EMI mit Hilfe von Hopkinson-Bar Versuchen, eine wissenschaftlich anerkannte Methode zur Untersuchung des Zugtragverhaltens bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten. Mit der vorliegenden Anlage können Dehnraten von bis zu 180 s-1 erreicht werden. Aufgrund der eindimensionalen Belastung der Versuchskörper können Stoßbelastungen auf spröde Materialien mit dieser Versuchskonfiguration untersucht werden. Die Abbildung unten zeigt den schematischen Aufbau eines Hopkinson-Bars in der benannten Konfiguration. Die Stoßbelastung wird über einen Druckimpuls in die Probe eingeleitet der am freien Probenende reflektiert wird. Dadurch werden Zugspannungen im Material erzeugt, die zur Fragmentierung (Spallation) der Probe führen.

Schematischer Aufbau des Hopkinson-Bars in der Spallationskonfiguration.

Der Fragmentierungsprozess beim Hopkinson-Bar Versuch, aus dem die dynamischen Zugeigenschaften, wie Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Bruchenergie, bestimmt werden, ist in der Abbildung unten dargestellt.


Fragmentierungsprozess während der dynamischen Belastung auf einen Beton am Hopkinson-Bar.

In der Abbildung unten ist die dynamische Zugfestigkeit über der statischen Druckfestigkeit, dem Klassifizierungsparameter von Beton, aufgetragen. Es zeigt sich, dass die Hochleistungsbetone eine höhere Zugfestigkeit aufweisen als Normalbetone. Der UHPC zeigt dabei einen noch höheren Widerstand, als der HPC. Der in AISIS entwickelte UHPC weist eine geringere Zugfestigkeit als der Standard UHPC auf, die jedoch noch doppelt so hoch ist, als die des Normalbetons.

Dynamische Zugfestigkeit für Betone unterschiedlicher Druckfestigkeitsklassen.

Bei der dynamischen Bruchenergie zeigen die hochfesten und duktilen Fasern ihr eigentliches Potenzial in den Hochleistungsbetonen. Unbewehrte Betone weisen in jeder Klasse ein sprödes Verhalten mit einer geringen Bruchenergie auf. Die Zugabe eines bereits geringen Faseranteils bewirkt eine signifikante Erhöhung der Bruchenergie mit einer merklichen Reduktion der Schädigung bei extremen Einwirkungen, die in Elementversuchen nachgewiesen werden konnte. Der im Projekt AISIS entwickelte UHPC beweist trotz geringerer Festigkeitswerte ein hohes Leistungsvermögen über die Bruchenergie, die 80-mal über der des Normalbeton liegt.

Dynamische Bruchenergie für Betone unterschiedlicher Druckfestigkeitsklasse.

Die Untersuchungen zeigten, dass der Einsatz von Hochleistungsbetonen im Tunnelbau einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung des Bauwerkswiderstandes leisten kann. Auch das geringe Leistungsvermögen von Hochleistungsbetonen bei hohen Temperaturen konnte unter Erreichung hoher Bruchenergien bei mäßigem Festigkeitsverlust optimiert werden.