Vorarbeit zu TP C3-L6-II: Stabwerkmodelle und Torsion
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Vorarbeit zum TP C3-L6-II: Entwurf und Bemessung von Carbonbeton-Bauteilen mit Stabwerkmodellen und für Torsionsbeanspruchungen im Verbundvorhaben C3-L6: Bemessung und bauliche Durchführung | Preliminary work for SP C3-L6-II: Design and Dimensioning of Carbon Reinforced Concrete Components with strut-and-tie models and for torsional stress as part of the joint research project C3-L6: Dimensioning and construction Förderer | Funding Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) / C³ – Carbon Concrete Composite Zeitraum | Period 01/2019 – 03/2021 Verbund- und Teilvorhabenleiter | Leader of the joint and subproject Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Häußler-Combe Bearbeiter | Contributor Ahmad Chihadeh M.Sc. Projektpartner | Project partners Lehrstuhl und Institut für Massivbau der RWTH Aachen | Betonwerk Oschatz GmbH, Oschatz | DYWIDAG-Systems International GmbH, Unterschleissheim | Halfen GmbH, Langenfeld/Rheinland |
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
STABWERKMODELLE FÜR CARBONBETON
3D-Modell eines wandartigen Trägers aus Carbonbeton
Für die Konstruktion von Stahlbetontragwerken hat sich die Methode der Stabwerkmodelle (SWM) über viele Jahre bewährt. Um Planern Zugang zur Carbonbetonbauweise zu ermöglich, ist der Einsatz dieser Methode für die Bemessung von Carbonbetonkonstruktionen unerlässlich. Mit der Frage, ob die bisher verwendeten Prinzipien der SWM bei der Konstruktion von Stahlbetontragwerken auch im Bereich des Carbonbetons genutzt werden können, setzen sich die Projektpartner im Rahmen des Verbundprojektes C³ – Carbon Concrete Composite im Teilprojekt C3-L6 „Bemessung und bauliche Durchbildung“ auseinander.
Vor allem bei der Bemessung von wandartigen Trägern finden SWM in der Baupraxis Anwendung, um effiziente Tragwerke zu konstruieren. Damit die Anwendbarkeit von SWM auf Bauteile aus Carbonbeton validiert werden kann, wird ein Modell in der hauseigenen FEM-Software “CaeFem” entwickelt. Dieses dient beispielsweise der Überprüfung von Berechnungsergebnissen von Simulationsmodellen. Um in den experimentellen Untersuchungen unterschiedliche Versagensmodi beobachten zu können, wurden verschiedene Bewehrungsvarianten und Auflagegrößen verwendet. Bei den zu beobachtenden Versagensarten handelt es sich um das Betondruckversagen, das Zugversagen der einzelnen Bewehrungsglieder und das Verbundversagen der Bewehrung.
Rissoberflächen und -orientierungen, die durch die Simulation eines wandartigen Trägers aus Carbonbeton mit dem Ansatz starker Diskontinuitäten erhalten wurden
Zur Untersuchung der Tragwirkung wurden je nach Versuchs- und Bewehrungskonfiguration zwei- oder dreidimensionale Simulationsmodelle aufgestellt. Die Bewehrung wurde hierbei als Balkenelement modelliert und in die umgebenden Volumenelemente eingebettet, die die Betonmatrix repräsentieren. Die Kopplung von Bewehrungsstäben und der umgebenden Betonmatrix erfolgt mithilfe von Verbundelementen. Durch dieses Vorgehen wird eine unabhängige Diskreditierung von Balken- und Volumenelementen ermöglicht. Hierdurch wird der Vernetzungsprozess für das Modell erheblich vereinfacht. Zudem ist es möglich voneinander unterschiedliche Abmessungen für Volumen- und Balkenelemente zu verwenden.
Neben einem isotropen, einem plastisch-isotropen Schädigungsmodell sowie einem anisotropen Microplane-Schädigungsmodell wurde darüber hinaus noch ein Modell implementiert, welches den Ansatz starker Diskontinuitäten verwendet. Die Ergebnisse der experimentellen Tests werden für die Überprüfung der Ergebnisse der einzelnen Materialmodelle verwendet.
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
STABWERKMODELLE FÜR CARBONBETON
3D-Modell eines Beton-Knotens als Stabwerkmodell mit drei eingebetteten Stäben
Stabwerkmodelle werden häufig bei der Analyse und Konstruktion von Stahlbetonbauteilen eingesetzt. Die Anwendbarkeit dieser wird auch für Carbonverstärkungen erwartet. Daher ist zunächst eine Untersuchung erforderlich, um die Eignung von Stabwerkmodellen für Carbonbeton zu überprüfen. Stahlstäbe und Carbonstäbe unterscheiden sich in Bezug auf dieses Thema hauptsächlich in der Duktilität und der Verbundspannung.
Spannungen am 3D-Knotenmodell in X-Richtung. Der Knoten wird durch die Flächen begrenzt, welche den Stäben ausgesetzt sind
Stabwerkmodelle bestehen aus Druckstreben, die einer Druckbelastung ausgesetzt sind, Zugstreben, die einer Zugbelastung ausgesetzt sind, und Knoten, die Druckstreben und Zugstreben verbinden, in denen Kräfte aus verschiedenen Richtungen aufeinandertreffen und sich ausgleichen. Daher werden die Knoten mehrachsig belastet und sind die am stärksten beanspruchten Bereiche in einem Stabwerkmodell. Daher wurde die Analyse von Knoten mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde ein 2D-Modell für den Kompressionsknoten implementiert. Gefolgt von mehreren Modellen für verschiedene Knotentypen und Geometrien. Anschließend wurde ein Knoten in einem 3D-Stabwerkmodell aus der sogenannten thin-walled tube, space truss analogy method zur Torsionsanalyse modelliert. Eingebettete Stäbe in einem Betonkörper wurden Zugkräften ausgesetzt, wobei diese Stäbe der Längs- und Bügelbewehrung entsprachen. Die Anwendung von Kompressionskräften wurde durch Aufbringen von Knoteneinschränkungen und -kräften durchgeführt. Dies dient dazu, starre Körperbewegungen zu vermeiden.
Das Modell wurde durch die Nutzung von eingebetteten Stäben in tetraedrische Festkörperelemente, welche die Betonmatrix repräsentieren, implementiert. Mithilfe von Verbindungselementen wurden die Stäbe mit dem umgebenden Beton verbunden. Das heißt, die Stabelemente und die umgebenden tetraedrischen Volumenelemente teilen sich keine Knoten. Dies vereinfacht die Diskretisierung durch die Möglichkeit, das Netz des Betons und das Netz der Stäbe unabhängig voneinander zu definieren. Stäbe, welche quer zur Längsrichtung liegen, stellen die Bügelbewehrung dar. Die Modellierung dieser gebogenen Betonstähle erfolgt mithilfe zweier gerader Stabelemente, welche sich an der Stelle des Hackens der Bügelbewehrung einen Knoten teilen. Dadurch wird der Schlupf der Stäbe aufgrund von seitlichen Behinderungen deutlich verringert. Die Ergebnisse der Simulation sind 3D-Spannungszustände in den Volumenelementen, Axialspannungen in den Stäben, Knotenverschiebungen und -kräfte sowie Verbundspannungen mit Schlupfwerten.