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Ultraleichter, zementgebundener Schaum als Kernwerkstoff von Sandwichelementen

Maier, Andreas (2023)
Ultraleichter, zementgebundener Schaum als Kernwerkstoff von Sandwichelementen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023247
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Ultraleichter, zementgebundener Schaum als Kernwerkstoff von Sandwichelementen
Language: German
Referees: Schneider, Prof. Dr. Jens ; Kolling, Prof. Dr. Stefan
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 404 Seiten
Date of oral examination: 4 March 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023247
Abstract:

Ausgehend von einer Entwicklung thermisch aktivierter Gebäudehüllelemente aus nahezu sortenreinen, zementgebundenen Werkstoffen, die jedoch aus einer tragenden Innenschale mit aufgebrachter Dämmung aus ultraleichtem, mineralisiertem Schaum sowie einer Vorhangfassade aus sehr dünnen, mikrobewehrten UHPC – Platten bestehen, wird die Frage diskutiert, inwiefern sich derartige Bauteile auch als tragende Sandwichelemente umsetzen lassen. Hierzu wird in einem ersten Schritt der mögliche Kerndämmstoff aus ultraleichtem, zementgebundenem Schaum mechanisch untersucht und die für eine Sandwichanwendung relevanten Werkstoffkenngrößen ermittelt. Hierbei zeigt sich, dass der Schaum, verglichen mit anderen Kernwerkstoffen aus der Sandwichbauweise, durchaus in Bezug auf seine mechanischen Eigenschaften mithalten kann bzw. diese sogar teilweise besser sind. Im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit sowie eine mögliche Zugabe von mineralischen Fasern wird das Carbonatisierungsverhalten des Schaumes beobachtet und versuchstechnisch ausgewertet. Für eine mögliche Berechnung von Sandwichelementen aus mineralisiertem, zementösem Schaum werden aus der Literatur bekannte Sandwichtheorien aufbereitet und im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit bei einem derart schubweichen Kernmaterial sowie in Bezug auf den Rechenaufwand und die daraus generierte Genauigkeit der Ergebnisse miteinander verglichen und bewertet. Dabei stellt sich die im Bauwesen bereits bekannte Theorie nach Stamm und Witte für dünne und dicke Deckschichten als durchaus praktikabel dar, und wird daher für eine Vordimensionierung von Sandwichelementen angewandt. Die Umsetzung als Sandwichelement erfolgt schließlich mit funktionalisierten Deckschichten aus Wabenplatten, die über eine Trägerschicht aus Gipsputz mit dem Schaum verbunden werden. Dabei zeigt sich das bei zementösen Werkstoffen ohne Zuschlagsstoffe bekannte Phänomen der sehr hohen Schwindneigung als Hindernis für eine dauerhafte, robuste Umsetzung. Im Hinblick auf die Klimaschutzziele sollte bei allen neuartigen Konstruktionen immer auch die Frage des ökologischen Fußabdrucks gestellt werden. Dies erfolgt im Rahmen einer Produktökobilanzierung des mineralisierten Schaumes. Dabei werden seine CO2 – Äquivalenten Emissionen sowie sein Primärenergiebedarf für die Herstellung ermittelt und erneut mit anderen Kerndämmstoffen verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Emissionen, die für den Treibhauseffekt relevant sind, deutlich über denen anderer Werkstoffe liegen. Gleichzeitig ist der für die Herstellung inklusive aller dafür notwendigen Transporte erforderliche Primärenergiebedarf deutlich geringer als bei den vergleichbaren Kernwerkstoffen. Die sortenreine Trennung des Schaumes von den Deckschichten kann für die Kombination mit Stahlbeton nachgewiesen werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Based on a development of thermally activated facade elements made of almost homogeneous, cement-bound materials, which consist of a load-bearing inner shell with applied insulation made of ultra-light, mineralized foam as well as a curtain wall made of very thin, micro-reinforced UHPC panels, the question is discussed whether such components can also be manufactured as load-bearing sandwich elements. For this purpose, the possible core insulation material of ultralight, cement-bound foam is mechanically investigated and the material parameters relevant for a sandwich application are determined. It is shown that the foam can keep up with other core materials used in sandwich construction in terms of its mechanical properties. With regard to durability and the possible addition of mineral fibers, the carbonation behavior of the foam is observed and evaluated by means of tests. For a possible calculation of sandwich elements made of mineralized, cementitious foam, sandwich theories known from the literature are prepared and compared and evaluated with respect to their applicability for such a shear-soft core material as well as with respect to the computational effort and the accuracy of the results generated. The theory according to Stamm and Witte turns out to be quite practicable for thin and thick face layers and is therefore applied for a pre-dimensioning of sandwich elements. Finally, the implementation as sandwich element is carried out with functionalized face sheets of honeycomb panels, which are bonded to the foam via a carrier layer of gypsum plaster. The phenomenon of a very high shrinkage tendency, which is known for cementitious materials without additives, is an obstacle for a durable, robust implementation. With regard to climate protection targets, the question of the ecological footprint should always be raised for all new types of construction. This is done in the context of a product life cycle assessment of the mineralized foam. Its CO2-equivalent emissions and its primary energy requirement for production are determined and compared with other core insulation materials. This shows that the emissions relevant to the greenhouse effect are significantly higher than those of other materials. At the same time, the primary energy requirement for production, including all the necessary transport, is significantly lower than for comparable core materials. The separation of the foam from the face sheets can be demonstrated for the combination with reinforced concrete.

English
Uncontrolled Keywords: mineralisierter Schaum, zementgebundener Schaum, Schaumbeton, UHPC, ETA-Fabrik, Sandwichtheorie
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-232472
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute für Structural Mechanics and Design
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute für Structural Mechanics and Design > Structural Engineering
Date Deposited: 23 Feb 2023 13:12
Last Modified: 24 Feb 2023 07:00
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23247
PPN: 505276488
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