Sandwichelemente mit Deckschichten aus Hochleistungsbeton und einem Kern aus extrudiertem Polystyrol

Kurzfassung Sandwichelemente vereinen aufgrund des gezielten Einsatzes verschiedener Materialien und deren schichtartigen Aufbaus sehr gute Dämmeigenschaften und ein geringes Eigengewicht mit hoher Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit. Sie werden daher seit Beginn der 1960er-Jahre sowohl im Metallleichtbau als auch im Stahlbetonmassivbau vielfältig eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Sandwichelemente mit Deckschichten aus einem mikro- oder auch textilbewehrtem Hochleistungsbeton und einem Kern aus extrudiertem Polystyrol-Hartschaum umfangreich experimentell und rechnerisch untersucht. Ziel war es, den Verbund zwischen dem Kern und den Deckschichten ohne mechanische Verbundmittel, sondern rein über die Adhäsion des profilierten Dämmkerns und den Deckschichten zu erzielen. Das Sandwichtragverhalten wurde durch eine Vielzahl von Biege- und Scherversuchen experimentell untersucht. Die Dauerhaftigkeit des Verbunds zwischen dem Kern und den Deckschichten wurde durch eine Frost-Tau-Wechselbeanspruchung der Scherprobekörper sowie durch eine zyklische Ermüdungsbeanspruchung der Biegeprobekörper bestimmt. Anhand der Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass die Sandwichelemente bei der Verwendung als Wand- oder Dachelement den praxisüblichen Beanspruchungen standhalten und nicht vorzeitig versagen. Das Tragverhalten wurde weiterhin in Bauteilversuchen an großformatigen Sandwichelementen überprüft. Hierzu wurden in einem eigens konstruierten Unterdruckprüfstand zweifeldrig gelagerte Sandwichelemente einer realitätsnahen Beanspruchung durch eine Flächenlast ausgesetzt. Die Materialeigenschaften, die anhand der Scherversuche sowie an Dehnkörperversuchen am bewehrtem Beton ermittelt wurden, dienten zudem als Eingangsparameter zur rechnerischen Untersuchung der Sandwichelemente mit der FE-Software ANSYS. Auf Grundlage der Modellierungen konnten die Versuchsergebnisse interpretiert und das Tragverhalten in Parameterstudien vertiefend analysiert werden. Darüber hinaus wurden auch die Einwirkungen aus einer Temperatur- und Schwindbeanspruchung der Elemente ermittelt. Über Ingenieurmodelle auf Grundlage der Sandwichtheorie konnte bisher der Einfluss der Rissbildung in den Betondeckschichten nur überschlägig und gemittelt über die Länge der Elemente berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurde ein bestehendes Programm zur Ermittlung der Sandwichschnittgrößen um einen Ansatz zur Berücksichtigung der Steifigkeitsreduzierung infolge der Rissbildung umfangreich erweitert. Mit dem neuen Programm swe2+ können nun erstmalig die Schnittgrößen und Verformungen von Sandwichelementen mit gerissenen Betondeckschichten zielsicher und diskret über die Länge eines Sandwichelements ermittelt werden. Durch Beispielrechnungen wurde gezeigt, dass die Umlagerung der Schnittgrößen infolge der Rissbildung in den Deckschichten zu ungünstigeren Beanspruchungen führen kann und diese Umlagerungen bei der Bemessung der Elemente entsprechend zu berücksichtigen sind. Die Bemessung der hier untersuchten Sandwichelemente kann in Anlehnung an die Norm DIN EN 14509 zur Bemessung von Sandwichelementen mit metallischen Deckschichten durchgeführt werden. Durch die Nachrechnungen der Biegeversuche wurde gezeigt, dass auf diese Weise die Elemente mit ausreichender Sicherheit und sehr guter Übereinstimmung bemessen werden können. Dies wird abschließend in zwei Bemessungsbeispielen an einem Wand- sowie einem Dachelement demonstriert.