Conceptual and Structural Design of Buildings made of Lightweight and Infra-Lightweight Concrete

Konzeptionelles und strukturelles Design von Gebäuden mit leichtem und infraleichtem Beton

  • Some times the need to reduce the weight of a structural element is not less important than increasing its strength, especially in heavy structures such as tall buildings and bridges where the structure’s weight is one of the main problems that faces the designers. In spite of the increasing use and demand of Lightweight Concrete (LWC), the conceptual and structural design aspects for buildings made from LWC and Infra-Lightweight Concrete (ILWC) have not been adequately explained. Issues such asSome times the need to reduce the weight of a structural element is not less important than increasing its strength, especially in heavy structures such as tall buildings and bridges where the structure’s weight is one of the main problems that faces the designers. In spite of the increasing use and demand of Lightweight Concrete (LWC), the conceptual and structural design aspects for buildings made from LWC and Infra-Lightweight Concrete (ILWC) have not been adequately explained. Issues such as element dimensions, connections, and reinforcement types and details as well as short- and long-term deformations and dynamic behaviour for LWC structures should be covered in up-to-date codes. Therefore, this study deals with conceptual and structural design of buildings made from LWC and ILWC and generally consists of two main objectives: - Development and production of new mixtures for LWC and ILWC with minimized dry density and very good mechanical and physical properties. - The ability to apply and involve these new materials in the construction field through intensive series of experimental tests on different structural elements and connections under static and dynamic loads. In order to achieve the first objective in the study, two targets were defined, the first: fair-faced ILWC for walls with minimum dry density (min < 800 kg/m³), minimum thermal conductivity enough to eliminate the heat insulation materials, and maximum strength enough to resist the vertical bearing stress from floors. The second target: fair-faced LWC for construction of floor slabs and beams with minimum dry density, minimum thermal conductivity and maximum strength enough to resist flexural and shear stresses comparable to normal concrete (NC). Once the ILWC and LWC materials were developed and their mechanical and physical properties were determined, a series of large-scale experiments was conducted. For ILWC, a real application i.e. a one-family house in Berlin, was built in 2006. Because of its favourable physical properties and its good durability, ILWC reinforced with GFR was used for the first time as monolithic cast-in-site concrete to construct the outer walls of this house without any additional insulation [Schlaich M., et. al., 2008]. Infra-lightweight concrete is an engineered high-tech material whose potential and various other design aspects are not yet fully exploited. The study shows the limits of ILWC, but also its great potential for fair-faced concrete buildings. For LWC, eight beams constructed from the newly developed LWC mixture with concrete strength class of LC 30/33 and reinforced with glass-fibre bars and steel bars, in addition to two control beams constructed from normal concrete C 30/37 and reinforced with steel bars, were tested experimentally for flexural strength capacity, shear strength capacity, ductile behaviour and bond behaviour in tension and compression zones of the beams. From the economic point of view, using LWC in construction of the floor slabs in tall buildings will reduce the total costs of tall buildings through the reduction of the amount of steel reinforcement, the reduction of foundation volume, and the reduction of vertical members’ cross-sections that saves the used horizontal area. Because they are the most affected components of tall buildings during earthquake excitations, an experimental study was done to investigate the behaviour of interior and exterior joints between LWC beams and NC columns under seismic loads. The development of highly damage-tolerant beam-column connections would allow structural engineers to design joints for moderate shear distortions which exhibit little damage, reduce rotation demands in beam plastic hinges, and eliminate the need for post-earthquake joint repairs. One option for achieving this goal is to use LWC beams which were reinforced with glass-fibre reinforcement bars with superior deformation capacity in beam-column connections.show moreshow less
  • Das Problem der Gewichtsreduzierung einiger Bauteile hat heutzutage die gleiche Bedeutung wie die Steigerung der Festigkeit, speziell bei großen Bauwerken wie Hochhäuser oder Brücken wo das Eigengewicht das Hauptproblem dieser darstellt. Trotz der zunehmenden Verwendung von Leichtbetonen, gibt es keine adäquaten Erläuterungen bezüglich des Konstruieren und Entwerfen von Gebäuden aus Leichtbeton (LB) und Infraleichtbeton (ILB). Für Probleme wie Dimensionierung, konstruktive Durchbildung, BewehrunDas Problem der Gewichtsreduzierung einiger Bauteile hat heutzutage die gleiche Bedeutung wie die Steigerung der Festigkeit, speziell bei großen Bauwerken wie Hochhäuser oder Brücken wo das Eigengewicht das Hauptproblem dieser darstellt. Trotz der zunehmenden Verwendung von Leichtbetonen, gibt es keine adäquaten Erläuterungen bezüglich des Konstruieren und Entwerfen von Gebäuden aus Leichtbeton (LB) und Infraleichtbeton (ILB). Für Probleme wie Dimensionierung, konstruktive Durchbildung, Bewehrungswahl und Detailausführung, Kriechen und Schwinden sowie das dynamisches Verhalten der Leichtbetonbauwerke ist es zwingend notwendig, dass diese in neuste Normen aufgenommen werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Entwerfen und Konstruieren von Bauwerken aus Leicht- und Infraleichtbeton und umfasst zwei Schwerpunkte: - Entwicklung und Herstellung neuer Rezepturen von LB und ILB mit minimierter Trockenrohdichte und sehr guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften. - Eignung dieser Materialien in Bauteilen und Verbindungen anhand von intensiven Testreihen und Experimenten mit statischer und dynamischer Belastung. Um dem ersten Schwerpunkt zu definieren wurden zwei Ziele festgelegt; zum einen: ein Sichtbeton aus Infraleichtbeton für Wände mit einer Mindesttrockendichte von min < 800 kg/m³, eine Mindestwärmeleitfähigkeit um die Wärmedämmung einsparen zu können und hohe Druckfestigkeiten zum Abtragen der Deckenlasten. Zum anderen: ein Sichtbeton aus LB für Decken, Platten und Balken mit einer Mindesttrockendichte, einer Mindestwärmeleitfähigkeit und einer Druckfestigkeit vergleichbar mit Normalbeton (NB) um Biege- und Querkräfte aufnehmen zu können. Sofort nach der Entwicklung und Bemessung des LB und ILB, sowie der Bestimmung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften, begann eine groß angelegte Serie von Experimenten. Die erste echte Anwendung fand der Infraleichtbeton in der Errichtung eines Einfamilienhauses in Berlin im Jahre 2006. damit gezeigt, dass sich der Werkstoff in der Praxis behaupten kann. Interessant war dabei vor allem, die konstruktiven und bauphysikalischen Details den Eigenschaften des Werkstoffes anzupassen und teilweise anders als sonst im Stahlbetonbau üblich auszuführen [Schlaich M., et. al., 2008]. Zur Reduzierung der unvermeidbaren Schwindrisse wurde Bewehrung aus Glasfaserstäben verwendet, die sowohl das Korrosionsproblem löst als auch Wärmebrücken vermeidet. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass Infraleichtbeton gut wärmegedämmte Sichtbetonbauten ermöglicht, und dass er das Potential besitzt, beim Bauen der Zukunft eine nicht zu vernachlässigende Rolle zu spielen. Acht Balken wurden aus Leichbeton LC 30/33, mit Glasfaser und Stahl bewehrt, hergestellt, des weiteren zwei aus Normalbeton C 30/37 mit Stahlbewehrung. Diese wurden alle auf Biege- und Querkrafttragfähigkeit sowie das Duktil- und Verbundverhalten der Druck- und Zugzone experimentell untersucht. Aus wirtschaftlicher Sicht, können durch den Gebrauch von Leichtbetondecken im mehrgeschossigen Bau, die Kosten gesenkt werden. Die Bewehrungsmenge, Fundamentvolumen und sogar vertikale Tragelemente können reduziert werden. Des Weiteren wurde die Verbindung zwischen Leichtbetonunterzug und Normalbetonstütze unter dynamische Belastung untersucht, da diese Bauteile im Falle eines Erdbebens bei Hochhäusern besonders gefährdet sind. Die Entwicklung eines Kreuzungsknoten mit hoher Schadenstoleranz ermöglicht den Entwurf von Kreuzungspunkten mit moderaten Verformungen infolge Querkräften, die nur eine geringe Schädigung verursachen, deren plastische Gelenke die Drehungen reduzieren und die erforderlichen Reparaturen nach einem Erdbeben minimieren. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen ist die Verwendung von Balken aus Leichtbeton und Stützen aus Normalbeton. Die Leichtbetonbalken sind mit Glasfaserstäben bewehrt. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Glasfaserbewehrung hinsichtlich des Verformungsverhaltens einer herkömmlichen Bewehrung aus Betonstahl überlegen ist.show moreshow less

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Metadaten
Author: Mohamed Ahmed Mohamed El Zareef
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-26076
Advisor:Prof. Dr. sc. techn. Mike Schlaich
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2010/03/29
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2010/03/24
Release Date:2010/03/29
Tag:Glasfaserbewehrung; Infraleichtbeton; Leichtbeton; Rahmenknoten; Statische und Dynamische prüfung
Beam-column joints; Glassfiber reinforcement; Infra-ligthweight concrete; Ligthweight concrete; Static and dynamic test
Institutes:Institut für Bauingenieurwesen
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)