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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

Additive Fertigungsverfahren stellen in den letzten Jahren einen Megatrend dar, da sich mit diesen Verfahren endkonturnahe Werkstücke mit hohem Materialausnutzungsgrad herstellen lassen. Die auch als 3D-Druck bekannt gewordenen additiven Fertigungsverfahren sind jedoch nicht auf die Prototypenfertigung aus Kunststoffen begrenzt. Beim selektiven Laserschmelzen werden metallische Werkstoffe im Pulverbettverfahren mittels Laserstrahl aufgeschmolzen und somit schichtweise aufgebaut. Das Verfahren findet bereits in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, aber auch in der Automobilindustrie und im Maschinenbau Anwendung für Prototypen, Einzelanfertigungen oder Kleinstserien. Des Weiteren ermöglicht es auch die Herstellung von Werkstücken mit besonders hoher Komplexität, die mit spanenden Verfahren nicht herstellbar sind, und bietet dadurch neue Gestaltungsmöglichkeiten bei der Konstruktion. Innerhalb des Vortrags werden nach der Vorstellung des Verfahrens verschiedene Methoden zur numerischen Simulation des selektiven Laserschmelzens von Edelstahl (1.4404) am Beispiel der kommerziellen Software Simufact Additive erläutert. Dazu werden der mechanische und thermo-mechanische Lösungsansatz betrachtet sowie die Methode zur Kalibrierung der Simulationen erläutert. Die Erläuterung eines voll transienten thermo-mechanischen Ansatzes erfolgt unter Verwendung der Software MSC Marc. Des Weiteren wird der Einfluss der Orientierung des Werkstücks im Herstellungsprozess auf resultierende Spannungen, Verzug sowie mechanische Eigenschaften analysiert und mit experimentellen Untersuchungen untersetzt.