Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines numerischen Stoffgesetzes, welches die materialspezifischen Besonderheiten Selbstverdichtender Betone in jungem Alter erfasst. Durch das erhöhte Schwindmaß eines Selbstverdichtenden Betons innerhalb der ersten zwölf Stunden können Dehnungszustände hervorgerufen werden, welche zu Schädigungen führen, die von den einschlägigen Normen bisher noch nicht erfasst wurden. Im Zuge des Forschungsprojektes „Selbstverdichtender Beton im Untertagebau“ konnten Erkenntnisse über das materialspezifische Verhalten bei konstanten Umgebungsbedingungen erlangt werden. Diese Ergebnisse wurden mit übertägig gewonnen Daten verglichen, um eine klare Abgrenzung zu einem normalen Rüttelbeton zu ziehen. Im weiteren Verlauf wurden die Ergebnisse zur Kalibrierung einer numerischen Simulation herangezogen. Damit kann nun, in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit und der Bauteilgröße, das Dehnungsverhalten eines SVB in jungem Alter realitätsnah beschrieben werden.

Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines numerischen Stoffgesetzes, welches die materialspezifischen Besonderheiten Selbstverdichtender Betone in jungem Alter erfasst. Durch das erhöhte Schwindmaß eines Selbstverdichtenden Betons innerhalb der ersten zwölf Stunden können Dehnungszustände hervorgerufen werden, welche zu Schädigungen führen, die von den einschlägigen Normen bisher noch nicht erfasst wurden. Im Zuge des Forschungsprojektes „Selbstverdichtender Beton im Untertagebau“ konnten Erkenntnisse über das materialspezifische Verhalten bei konstanten Umgebungsbedingungen erlangt werden. Diese Ergebnisse wurden mit übertägig gewonnen Daten verglichen, um eine klare Abgrenzung zu einem normalen Rüttelbeton zu ziehen. Im weiteren Verlauf wurden die Ergebnisse zur Kalibrierung einer numerischen Simulation herangezogen. Damit kann nun, in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit und der Bauteilgröße, das Dehnungsverhalten eines SVB in jungem Alter realitätsnah beschrieben werden.:Inhaltsverzeichnis Vorwort II Kurzfassung III Abstract IV 1. Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Stand der Erkenntnis 4 1.3 Zielsetzung 8 2. Mechanische Eigenschaften Selbstverdichtender Betone 12 2.1 Rheologische Grundlagen 12 2.1.1 Mischungszusammensetzung für den Einsatz Untertage 12 2.1.2 Kinetik des Erstarrens 17 2.1.3 Frisch- und Festbetoneigenschaften 20 2.1.4 Mischungsentwurf 22 2.2 Feuchte- und Wärmetransport 24 2.2.1 Hydratationsverhalten 24 2.2.2 Feuchtetransport und Speicherung 28 2.2.3 Numerische Umsetzung der Feuchte- Wärmekopplung 32 2.2.4 Finite Element Formulierung und Umsetzung mit Abaqus 35 2.3 Mathematische Formulierung 40 2.3.1 Thermische Leitfähigkeit 40 2.3.2 Hygrische Leitfähigkeit 42 2.3.2.1 Hygrische Transportvorgänge bei Änderung der Umgebungsfeuchte 43 2.3.2.2 Hygrische Transportvorgänge anhand von Temperaturveränderungen 46 2.4 Lastunabhängige Verformungen von Beton 47 2.4.1 Temperatureffekte 47 2.4.2 Feuchteffekte 49 3. Experimentelle Untersuchungen 51 3.1 Ergebnisse der Laborversuche 51 3.1.1 Zug- und Druckfestigkeiten 51 3.1.2 Hydratationsverhalten 55 3.1.3 Feuchtemessungen an Schwindrinnen 57 3.1.4 Schwindverhalten aus Laborversuchen 62 3.2 Untersuchungen am Großversuchsstand 65 3.2.1 Einrichtung des Versuchsstandes 65 3.2.2 Fördertechnologie 68 3.2.3 Schalungsdrücke 69 3.2.4 Hydratationsverhalten und Lastunabhängige Verformungen 70 3.3 Versuchsergebnisse am Großversuchsstand 70 3.3.1 Hydratation und Wärmefreisetzung 70 3.3.2 Schalungsdrücke 74 3.3.3 Schwind- und Temperaturdehnungen 76 3.3.3.1 Schwindrinnen 76 3.3.3.2 Tunnelbauwerk 78 3.4 Rissbildung am Bauwerk 80 3.4.1 Übersicht zu gängigen Risskonzepten 80 3.4.2 Methodenvalidierung der Risskriterien 83 4. Numerische Berechnungen 87 4.1 Numerische Grundlagen 87 4.1.1 Zwangsspannungen infolge Hydratation 87 4.1.1.1 Instationäre Wärmeleitungsprobleme 89 4.1.1.2 Berechnung von Verschiebungsfeldern 90 4.1.2 Thermisch-hygrische Dehnungen 92 4.2 Numerische Detailuntersuchungen und Modellparameter 94 4.2.1 Konstruktive Details des Modells 95 4.2.2 Bewehrungselemente 97 4.2.3 Ermittlung der benötigten Parameter 99 4.3 Vergleichsberechnungen 103 4.3.1 Hydratationswärmeentwicklung 103 4.3.2 Thermisch-hygrische Kopplung 106 4.4 Berechnungsergebnisse 109 4.4.1 Schwindrinne 110 4.4.1.1 Temperaturentwicklung und Trocknungsverhalten 110 4.4.1.2 Schwinddehnungen 113 4.4.1.3 Längenänderungen infolge unterschiedlicher Umgebungsfeuchten 117 4.4.2 Untertägiges Tunnelbauwerk 119 4.4.2.1 Temperaturentwicklung und Trocknungsverhalten bei hohen Luftfeuchtigkeiten 119 4.4.2.2 Spannungsentwicklung infolge Zwang 122 4.4.3 Rissbildung in jungem Alter 126 4.4.3.1 Kritischer Hauptspannungsraum und mögliche Rissbreiten 126 4.4.3.2 Beanspruchungen der Bewehrung 131 4.4.4 Abhängigkeiten der Dehnungsverteilung und Rissbreite von Selbstverdichtenden Betonen in jungem Alter 134 5. Zusammenfassung und Ausblick 139 Literaturverzeichnis 143 Abkürzungsverzeichnis 151 Abbildungsverzeichnis 152 Tabellenverzeichnis 156 Anhangsverzeichnis 157

Hochduktiler Beton ist ein mit kurzen Kunststofffasern bewehrter Hochleistungs-verbundwerkstoff auf Zementbasis, der unter Zugbelastung eine hohe nichtelastische Verformbarkeit und ein verfestigendes Materialverhalten aufweist. Dieses Verhalten wird durch die Zugabe von diskontinuierlich verteilten Kurzfasern aus Kunststoff erzielt. In der vorliegenden Arbeit wurden einachsige Bauteilzugversuche durchgeführt auf deren Basis das globale und lokale Zugtragverhalten der großformatigen Versuchskörper beschrieben werden kann. Ausgangspunkt sind experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten des Stabstahls und des hochduktilen Betons sowie zu deren gemeinsamen Verbundverhalten. Die Untersuchungen zeigen, dass der Herstellungsprozess das Betongefüge und damit auch das mechanische Verhalten von hochduktilem Beton beeinflusst und dieser auf Grund seiner Zusammensetzung ein ausgeprägtes Schwindverhalten aufweist. Beides muss bei der Untersuchung großformatiger Versuchskörper berücksichtigt werden. Dazu wurden sowohl unbewehrte als auch bewehrte Dehnkörper mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt unter kontrollierten Herstellungsbedingungen in einem konventionellen Mischwerk hergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung erlauben die Abbildung des Last-Verformungsverhaltens unter Berücksichtigung der hohen Schwindmaße durch isoliert ermittelte Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des hochduktilen Betons und des reinen Stahls. Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Beschreibung des kombinierten Tragverhaltens unter Berücksichtigung der rissüberbrückenden Wirkung der Fasern. / SHCC is an advanced construction material developed especially for strain-hardening, quasi-ductile behaviour. Both are achieved through the combined interaction of short polymer fibres dispersed in the cementitious matrix. The resulting tensile behaviour of SHCC is characterized by a progressive formation of multiple cracks and high strain capacity, which influences the structural behaviour especially in combination with steel reinforcement. This thesis reports on experimental investigations to analyse the load-bearing behaviour of R/SHCC members. The investigations included the determination of relevant material properties as well as uniaxial tension tests on steel reinforced slab elements. The aim was to study the effect of multiple cracking on the bond interaction with steel reinforcement and their combined load-deformation behaviour. Specific attention was also given to the influence of the production process and shrinkage behaviour of SHCC. It was shown that production and size related changes of material properties influence the cracking behaviour of SHCC, which can lead to a significant reduction of tensile strain capacity in a structural element. The interaction with steel reinforcement, on the other hand, was found to facilitate multiple cracking and enhance tensile strain capacity during the stage of elastic steel deformations. However, a mutual dependency of SHCC fracture and plastic steel deformations could be observed in the post-yielding stage of the steel rebar. The experimental results were discussed with respect to their implications for constitutive modelling of the tensile load-bearing behaviour. The resulting relationships are based upon the individual material behaviour as well as their bond interaction. Further to that, the effects of SHCC shrinkage and early strain-hardening of steel reinforcement were assessed based on the experimental data. These results contribute to the understanding of the mechanical processes in order to determine the behaviour of steel reinforced SHCC for practical applications.