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Forschungsbericht: Verbundverhalten bei Querzug. Schlußbericht

Verbundverhalten bei Querzug. Schlußbericht
J. Eibl, K. Idda, H.N. Lucero-Cimas
Univ. Karlsruhe, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Abteilung Massivbau
1998, 160 S.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

Wo in Platten, Behältern und Schalen aus Stahlbeton in zwei Hauptrichtungen planmäßig Zugspannungen herrschen, ist Querzug vorhanden. Er sollte keinesfalls unterschätzt werden. Das haben nicht zuletzt Großexplosionsversuche zum Reaktorbau in Albuquerque, New Mexico, gezeigt. Obwohl der Querzug mit den Rissen entlang der zugbeanspruchten Bewehrungsstäbe das Verbundverhalten des Stahlbetons verschlechtert, bleibt er beim Berechnen von Bewehrungsverankerungen zumeist unbeachtet. Herausziehversuche mit Betonstählen kurzer Verankerungslänge machen deutlich, dass bereits die im Gebrauchszustand zulässigen, geringen Risse den Verbund im Stahlbeton schwächen. Vergleichsrechnungen zeigen, dass die derzeit geltenden Grundwerte der Verbundspannungen zum Nachweis von Verankerungslängen eindeutig zu hoch sind. Infolgedessen überschreiten die Rissbreiten im Verankerungsbereich - orthogonal zu den betrachteten Betonstählen - bei weitem das im Gebrauchszustand zulässige Maß.

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1
1.1 Problemstellung und Ziel des Vorhabens 1
1.2 Stand der Erkenntnis 1
2. Experimentelle Untersuchungen 5
2.1 Versuchsprogramm 5
2.2 Vorversuche 7
2.3 Versuchseinrichtung 10
2.4 Versuchskörper 12
2.5 Material 14
2.6 Messtechnik 17
2.7 Versuchsergebnisse 21
2.7.1 Hauptversuche - erste Ergebnisse 21
2.7.2 Ergänzungsversuche - Parameterstudien 28
2.8 Weiterführende Überlegungen 34
2.8.1 Versagensmechanismus 34
2.8.2 Dimensionsanalyse 40
2.9 Verbund-Grundgesetze unter Berücksichtigung von Querzug 48
2.9.1 Näherungslösung der Differentialbeziehung nach Rehm 49
2.9.2 Verbund-Grundgesetze bei Querzug 52
2.9.3 Variation des Stabdurchmessers und der Betongüte 56
2.9.4 Überprüfung der berechneten Grundgesetze 58
2.9.5 Verankerungslängen im Gebrauchs- und im Bruchzustand 60
2.9.6 Rechnerische Verbundspannungen 63
2.10 Ausziehkörper ohne Querbewehrung 67
3. Numerische Untersuchungen 71
3.1 Mathematisches Modell 71
3.2 Stoffgesetze 71
3.2.1 Beton 71
3.2.1.1 Allgemeines 71
3.2.1.2 Versagenskriterium 72
3.2.1.3 Verformungsbeziehungen 75
3.2.1.3.1 Belastung 75
3.2.1.3.2 Entlastung 78
3.2.1.3.3 Nachrissverhalten 79
3.2.2 Stahl 83
3.3 Lösungstechnik 84
4. Vergleich von Versuchen und Rechnungen 85
4.1 Dreidimensionales Modell für statische Berechnungen 85
4.1.1 Diskretisierung 85
4.1.2 Erste Ergebnisse 85
4.2 Dreidimensionales Modell für dynamische Berechnungen mit expliziter Zeitintegration 100
5. Zusammenfassung und Ausblick 104
Literatur 106
Anhang 112
Anhang Teil A: Beispielhafte Berechnung von Rissbreiten 113
Anhang Teil B: Versuchsergebnisse 117
Anhang Teil B1: Hauptversuche 118
Anhang Teil B2: Ergänzungsversuche 131
Anhang Teil B3: Sprengkraft - Winkel der Lastausbreitung 150
Anhang Teil C: Beispielrechnung zur Dimensionsanalyse 161

Publikationslisten zum Thema:
Verbund, Beton, Stahl, Bewehrung, Betonstahl, Verbundverhalten, Riss, Rissbreite, Verankerungslänge, Stahlbeton, Versuch, Versagensmechanismus, Modellierung, Modell(mathematisch), Vergleich,

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Forschungsberichte

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Seit längerem gibt es intensive Bestrebungen, den volkswirtschaftlich außerordentlich bedeutsamen Verbundwerkstoff Stahlbeton weiterzuentwickeln und dazu vor allem die Zugfestigkeit von Beton zu erhöhen. Mit dem an der Universität Augsburg entwickelten Herstellungsverfahren, bei dem die Ausrichtung beigemischter Kohlenstofffasern durch eine Düse gezielt eingestellt werden kann, ist es gelungen, mit handelsüblichen Ausgangsstoffen und im Grunde praxisgerechten Verfahren eine signifikante Erhöhung des Verhältniswertes von Zug- und Druckfestigkeit bei Zementsteinproben zu erreichen. In den Untersuchungen zur Materialentwicklung konnte gezeigt werden, dass die hohen Festigkeiten der faserverstärkten Prüfkörper auch mit kürzeren Fasern erreicht werden können und somit besser verarbeitbare Mörtel gleicher Festigkeit herstellbar sind. Ein sowohl preisliches als auch in der Ökobilanz günstigeres System konnte ohne Festigkeitsverlust realisiert werden, indem teure neuwertige Fasern durch günstigere Recyclingprodukte ersetzt wurden.

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Ultrahochfester faserbewehrter Beton birgt sowohl in wirtschaftlicher als auch in ökologischer Hinsicht große Potentiale für den Fertigteilbau. Mit Hilfe dieses innovativen Werkstoffs können gegenüber üblichen Betonbauweisen der Ressourcenverbrauch und die Eigenlasten deutlich reduziert werden, während sich gleichzeitig die Dauerhaftigkeit erhöht. Der Parkhausbau stellt somit ein ideales Anwendungsgebiet für den vielversprechenden Werkstoff dar. Mit dem Forschungsvorhaben konnten die Vorteile von ultrahochfestem faserbewehrten Beton, wie z.B. die exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften sowie die Reduktion von Eigengewicht, für eine Anwendung im Parkhausbau aufgezeigt werden. Das entwickelte Tragsystem aus vorgespannten Längsträgern und filigranen Plattenelementen weißt dabei, bei gleichbleibender Tragfähigkeit, extrem geringe Querschnittsabmessungen auf. Dadurch und aufgrund des entwickelten Fügeprinzips ohne Anschlussbewehrung und Beschichtungen ergäben sich erhebliche Vorteile bei der Verlegung. Aufgrund der exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften kann auf jegliche (im Parkhausbau übliche) Beschichtungen verzichtet werden.

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Anlass: Seit der Einführung des Teilsicherheitskonzeptes werden die bei der Bemessung zu berücksichtigenden Sicherheitsbeiwerte auf die Einwirkung und den Widerstand verteilt, wobei hinsichtlich der anzusetzenden Teilsicherheitsbeiwerte zwischen ständigen und veränderlichen Einwirkungen unterschieden werden muss. Dies führt bei der Bemessung von größeren Tragsystemen aufgrund der nichtlinearen Momenten-Normalkraft Interaktion in der Regel zu einer Vielzahl von zu untersuchenden Einwirkungskombinationen. Die Anzahl der Kombinationen steigt dabei mit der Anzahl der vorhandenen Einwirkungen überproportional an. Zusätzlich ist zu beachten, dass für verschiedene Nachweisstellen eines Bauteils unterschiedliche Einwirkungskombinationen maßgebend werden können. Die Berücksichtigung von verschiedenen Einwirkungskombinationen führt in der Bemessungspraxis zu einer zeitaufwändigen Aufgabe, die mit einer einfachen Handrechnung kaum noch zu bearbeiten ist. Darüber hinaus kann es leicht zu fehlerhaften Bemessungen kommen, wenn aufgrund des steigenden Zeit- und Kostendrucks eine maßgebende Einwirkungskombination vergessen wird. Dies kann die Zuverlässigkeit von Tragstrukturen signifikant beeinflussen, da die normativ definierten Teilsicherheitsfaktoren den Einfluss von menschlichem Fehlverhalten bei der Planung und Ausführung nicht abdecken. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Anzahl der theoretisch möglichen Einwirkungskombinationen für praxisübliche Fälle wissenschaftlich zu analysieren und hinsichtlich ihrer Bemessungsrelevanz zu clustern, um die bemessungsmaßgebenden Kombinationen identifizieren zu können. Dies kann zu einer deutlichen Reduzierung der zu berücksichtigenden Einwirkungskombinationen genutzt werden. Somit kann ein Beitrag zur Rationalisierung und Kostensenkung in der Planung geleistet, die Übersichtlichkeit bei der Berechnung erhöht und eine Verringerung der Fehleranfälligkeit bei der Bemessung von Bauteilen im üblichen Hochbau erreicht werden. - Arbeitsplan und Durchführung: Parameteridentifikation

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Die Verwendung von hochfesten Bewehrungsstählen, die eine um bis zu 1/3 höhere Streckgrenze aufweisen, ermöglicht schlankere Bauteile und damit eine ressourceneffizientere Bauweise. Das Forschungsvorhaben soll die Einsatzbereiche hochfester Bewehrung ermitteln und bewerten sowie durch experimentelle und theoretische Untersuchungen die wissenschaftliche Basis für ihre baupraktische Anwendung schaffen. Weiterhin sind für die Anwendung in der Praxis Bemessungstools bzw. Bemessungshilfen zu erstellen, soweit sie nicht von bestehenden Programmen abgedeckt sind. Von der RWTH werden die Versuchskörper erstellt und getestet. Auf Basis der Versuchsergebnisse und begleitender theoretischer Untersuchungen werden Verbundkennwerte für die hochfesten Stähle bestimmt und Bemessungsregeln zur Biegebemessung, zum Rissbreitennachweis und zur Rotationsfähigkeit hergeleitet. Bei den Untersuchungen der hochfesten Stähle dienen Referenzversuche mit Betonstahl BSt 500S als Vergleichswerte. Zur vertieften Analyse des Verbundverhaltens der hochfesten Stähle sind FE-Berechnungen vorgesehen. Nach Abbildung der Versuche und Kalibrierung der Verbundgesetze sollen numerische Parameterstudien durchgeführt werden, um die Ergebnisse des Forschungsvorhabens auf andere Randbedingungen als in den Versuchen zu übertragen. Die FE-Berechnungen werden sowohl von SAH als auch von der RWTH durchgeführt. Das Institut für Betonbau der TU Graz (Prof. Tue) wird die numerische Abbildung des Verbundverhaltens beratend begleiten. Zur Kalibrierung und Validierung der FE-Modelle dienen die Versuchsergebnisse der RWTH. Damit werden im Forschungsvorhaben Grundlagen für alle Bewehrungsstähle mit den gleichen oder ähnlichen Eigenschaften ermittelt.

Grenzzustände kleiner Rissbreiten in Dichtkonstruktionen aus Stahlbeton unter Berücksichtigung der Anforderungen an Durchflusssicherheit, Nutzungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit

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Grenzzustände kleiner Rissbreiten in Dichtkonstruktionen aus Stahlbeton unter Berücksichtigung der Anforderungen an Durchflusssicherheit, Nutzungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit
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Fraunhofer IRB Verlag

Aus dem vorangegangenen Forschungsvorhaben ergaben sich, begründet durch die geringe Vorhersagegenauigkeit bei kleinen Rissbreiten, erhebliche Zweifel bezüglich der Zuverlässigkeit von Dichtkonstruktionen aus Stahlbeton mit kleinen Trennrissen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollte daher eine Untersuchung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, beruhend auf dem (semi-)probabilistischen Sicherheitskonzept durchgeführt werden, in dem sowohl die Abweichungen zwischen vorhergesagter und tatsächlich auftretender Rissbreite, als auch die Streuungen auf der Widerstandsseite berücksichtigt werden. Dazu wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, mit dem Ziel Verteilungsfunktionen auf der Widerstandsseite für verschiedenen Aspekte der Dauerhaftigkeit zu finden. Dies ist nur für den Eindringwiderstand gegen wassergefährdende Stoffe gelungen. Des Weiteren wurde aufbauend auf einem Rissdatensatz eine Beziehung zwischen berechneter und tatsächlich auftretender Rissbreite für mehrere Rissbreitenmodelle hergestellt. Mit den so ermittelten Verteilungsfunktionen wurden probabilistische Betrachtungen durchgeführt und Tendenzen hinsichtlich der Zuverlässigkeit bei der Bemessung von Dichtkonstruktionen aufgezeigt. Außerdem wurden Empfehlungen gegeben für weitere Untersuchungen auf dem Gebiet der Rissbreitenvorhersage, insbesondere im Hinblick auf die bei der Berechnung angesetzte Lasteinleitungslänge und die Verbundfestigkeit. Hier sind durch die Untersuchungen Zweifel an dem aktuellen Rissbreitenmodell nach EC2-1 mit Nationalem Anhang entstanden.

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Zeitschriftenartikel

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