Hochleistungswerkstoffe im Erdbebeningenieurwesen

• Projektleitung: Prof. Dr. A. Dazio
• Mitarbeiter: M. Trüb
• Projektpartner: -

Menschenleben zu retten war stets das primäre Ziel des Erdbebeningenieurwesens. Allerdings wurden in den letzten Jahren, in Anbetracht des stetig steigenden Einflusses der ökonomischen Verluste auf die Gesellschaft, innerhalb der Erdbebeningenieurgemeinschaft starke Anstrengungen unternommen, um hochleistungsfähige strukturelle und nicht-strukturelle Systeme zu entwickeln, d.h. Systeme die bei der selben seismischen Einwirkung weniger Schadensanfällig sind. In den letzten Jahren wurden viele sogenannte Hochleistungsmaterialien von Materialwissenschaftlern entwickelt. Eines dieser Materialien ist "Hybrid Fibre Concrete" (HFC) welches am Institut für Baustoffe (IFB) der ETH in Kollaboration mit der TU Delft entwickelt wurde. HFC wird primär durch seine mit Stahlfasern verschiedener Länge verstärkte, hochfeste Mörtel-Matrix charakterisiert. Seine hauptsächlichen makro-mechanischen Eigenschaften sind seine hohe Zugfestigkeit und eine signifikante Duktilität (mit Verfestigung). Insbesondere diese zweite Eigenschaft macht HFC attraktiv für seismische Anwendungen.

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines neuartigen strukturellen Systems, welches HFC beinhaltet. Das Projekt besteht aus zwei grösseren Teilen, namentlich einem experimentellen und einem numerischen. Im Laufe des experimentellen Teils wurden drei mittelgrosse HFC Tragwände unter statisch-zyklischer Belastung getestet. Die hauptsächliche Idee dahinter war die Entwicklung einer Tragwand, welche weder Schub- noch Umschnürungsbewehrung benötigt – wodurch die Konstruierbarkeit im Vergleich zu konventionellen Stahlbetonstrukturen erleichtert würde – und welche ein verbessertes seismisches Verhalten aufweist. Die Tests bestätigten diese Erwartungen in vollumfänglichem Masse. Die HFC Tragwände waren in der Lage, grosse inelastische Zyklen ohne Abplatzen des Überdeckungsbetons und ohne darauf folgendes Knicken der Längsbewehrung oder Schubversagen zu durchlaufen. Das Ziel des zweiten Teils dieses Forschungsprojekts, welches momentan in Arbeit ist, ist die Entwicklung eines numerischen, zyklischen Materialmodells für die Simulation der strukturellen (makroskopischen) Antwort von HFC Elementen. Das Materialmodell ist für viereckige Finite Elemente im ebenen Spannungszustand entworfen worden und verwendet eine Kombination eines verschmierten Rissmodells mit der "eXtended Finite Element" Methode (X-FEM). Letztere garantiert korrekte Dehnungslokalisierung und erlaubt maschen-unabhängiges Risswachstum.