Maste und Türme aus hochfestem Beton

摘要

In der Arbeit wird eine neue Methode zur wirklichkeitsnahen Steuerung von Rissen in Masten und Türmen aus Beton angeboten. Diese vertikal verlaufenden Risse entstehen praktisch in allen turmartigen Tragwerken mit geschlossenen Querschnitten. Sie werden durch die geometrische Verhinderung von virtuellen Rotationen aus Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten erzwungen. Turmartige Bauwerke prägen die heutige Landschaft durch zahlreiche Freileitungsmaste, Mobilfunkmaste, Windenergieanlagen, Schornsteine und repräsentative Fernmeldetürme. Aufgrund der vielfältigen Ausführungen und der großen Anzahl der Standorte ist die Bauart im Ingenieurbau als die zweitwichtigste nach den Brücken anzusehen. Die Motivation zu dieser Arbeit hat sich aus der langjährigen Beschäftigung des Autors als Tragwerksplaner und Gutachter mit turmartigen Bauwerken ergeben. Bei den Aufgaben geht es häufig um die Einstufung der Risse hinsichtlich ihrer Ursache und der Konsequenzen für die Tragfähigkeit des Turmes. Eine ungenügende Ringbewehrung kann zu extremen vertikalen Trennrissen führen, die dann aufgrund fehlenden Schubwiderstands die Windtragfähigkeit des Schaftes mindern. Diese Gefahr wird in der zurzeit gültigen Normung nicht immer erkannt. Das Defizit ist in der ungenügenden Erfassung der Einwirkungen, mangelhaften Bemessungsmethoden und falschen Regelungen zur Mindestbewehrung erkennbar.Der Zwang in Ringrichtung der Mast- und Turmschäfte wird durch Dehnungsdifferenzen über die Wanddicke aktiviert, die durch die Einwirkungen - Feuchtigkeits- oder Temperaturdifferenz - zustande kommen. Die durch Verhinderung der Verdrehung aktivierten Rückstellmomente bewirken Zugspannungen an der kälteren und trockeneren Wandseite. Hinsichtlich der Größe der Einwirkung wird in der Arbeit erstmals zwischen den maximalen und den permanenten Werten unterschieden. Die Maximallast als singuläres Ereignis bestimmt die Anzahl der sich bildenden Vertikalrisse. Für das Rissmoment ist die Stahlspannung der Horizontalbewehrung nachzuweisen. Für die wesentlich geringere permanente Last ist die Rissbreite zu beschränken, von der die Dichtigkeit hinsichtlich des Wassereindrangs und die Stahlkorrosion abhängen. Für die wirklichkeitsnahe Erfassung des Verhaltens der Maste und Türme ist ein Programm auf Basis der Kontinuierlichen-Verformungs-Theorie (KVT) erstellt worden. Hiermit kann die Momenten-Krümmungs-Beziehung für beliebige Ringquerschnitte berechnet werden. Der Bereich der Rissbildung wird hierbei nicht wie üblich als horizontal verlaufend angesetzt sondern als sägezahnförmig mit schlagartigen Entlastungen nach jeder Rissbildung. Die Anzahl der Risse definiert dabei die für den gerissenen Querschnitt maßgebliche Wiederbelastungskurve, die eine Abnahme der Sekantensteifigkeit bei steigender Belastung ergibt. Wie unterschiedlich der Verlauf der Momenten-Krümmungs-Beziehung für verschiedene Bauwerkstypen ist, wird anhand des Vergleichs von großen Türmen (z. B. Industrieschornsteine oder Fernsehtürme) mit Masten (z. B. Funkmaste oder Freileitungsmaste) erläutert. Die Schäfte von Türmen und Masten unterscheiden sich in allen Kriterien: Ringdurchmesser, Wanddicke, Stabdurchmesser, Betondeckung und Betonfestigkeit. Dieses äußert sich im stark unterschiedlichen Rissverhalten: An den für den konventionellen Betonbau stehenden Türmen bilden sich viele Risse, wobei die übliche Rissbreiten von 0,3 mm als unkritisch anzusehen ist. Bei den kleineren Masten aus hochfestem Beton hingegen kann schon der einzelne Riss mit geringer Breite von 0,1 mm das Fließen oder sogar Reißen der Bewehrung ohne Vorankündigung bedeuten. Die Ursache des besonderen Verhaltens der Maste ist das Zusammenwirken des hochfesten Betons mit den sehr dünnen Bewehrungsstäben.Die entwickelte Rechenmethode wurde abschließend durch ihre Anwendung bei einigen praktischen bemessungs- und schadensorientierten Aufgaben erläutert sowie mit einigen gängigen Rissnachweisverfahren verglichen und zur Bewertung der bestehenden Normenregelungen herangezogen.