Einfluss von Querzug auf Rissbildung und Verbund in Stahl- und Spannbetoncontainments
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2011
Sichere Hülle aus Stahl- und Spannbeton
Rissbild im Großversuch nach zweiaxialer Zugbelastung
Die Sicherheit bestehender Kraftwerke ist von vielen Faktoren abhängig. Dazu zählt der Einsatz von Containments. Mit dem bloßen Vorhandensein einer solchen Schutzhülle ist jedoch noch keine definierte Absicherung gewährleistet. Der Nachweis von Integrität und Dichtheit des Stahl- bzw. Spannbetoncontainments ist daher von großer Bedeutung. Dies geschieht zumeist mit Hilfe von FE-Analysemodellen, um eine realistische Simulation verschiedener Szenarien zu ermöglichen. Die Vorhersage realitätsnaher Rissbreiten und Leckageraten ist ein wichtiger Schritt, um im Fall einer Innendruckerhöhung und damit zweiaxialen Zugbelastung die Funktion bestehender Containments zu gewährleisten. Zur Kalibrierung und Verifizierung dieser Analysemodelle wurden im Rahmen des Projekts verschiedene Versuche durchgeführt.
Das Verbundverhalten von Betonstahl unter Querzug wurde an ca. 200 würfelförmigen Ausziehkörpern mit kurzer Verbundlänge ermittelt. Mit steigender Querzugbelastung und sinkender Betondeckung tritt statt eines Ausziehversagens ein immer früher einsetzender Spaltbruch auf. Mit dem aus den Versuchsergebnissen entwickelten Formelapparat können in Abhängigkeit von Stabgeometrie, Betonfestigkeit und Betondeckung für beliebige Querzugbelastungen unterhalb der Risslast lokale Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen formuliert und die Verbundversagensart sowie der Versagenszeitpunkt bestimmt werden.
An 50 scheibenförmigen Probekörpern erfolgte die Untersuchung des zweiaxialen Zugtragverhaltens von unbewehrtem Normalbeton für zwei Festigkeitsklassen und vier Zugspannungsverhältnisse. Die Versuchsergebnisse zeigten die Notwendigkeit, ein Bruchkriterium in Abhängigkeit der Betonfestigkeitsklasse zu formulieren.
Das Zusammenwirken aller Komponenten wurde an zwölf großformatigen Stahlbetonscheiben mit Spanngliedern im nachträglichen Verbund in zweiaxialen Zugversuchen geprüft. Es wurde nachgewiesen, dass eine zweiaxiale Zugbelastung das Tragverhalten des gesamten Bauteils beeinflusst. In Abhängigkeit der Höhe der Querzugbelastung konnten Aussagen zum Verformungsverhalten und zur Rissbildung getroffen werden.
1. Bericht aus dem Jahrbuch 2010
Stahl- und Spannbeton unter Querzug
Messtechnik
Stahl- und Spannbetonbauteile sind in den meisten Fällen Bestandteile räumlicher Tragstrukturen, welche häufig einer mehraxialen Beanspruchung ausgesetzt sind.
Im Falle eines Spannbetoncontainments kann eine Innendruckerhöhung infolge eines Störfalls zu einer zweiaxialen Zugbeanspruchung der Tragstruktur führen. Für eine realitätsnahe Leckratenberechnung sind präzise Kenntnisse über den Rissbildungsprozess und die Rissentwicklung notwendig. Der Fall der einaxialen Beanspruchung ist recht gut erforscht. Es ist aber zu erwarten, dass eine quer zur Hauptbelastungsrichtung wirkende Zugspannung das Verbundverhalten zwischen Beton, Betonstahl und Spannstahl beeinflusst. Daraus folgend ergeben sich im Vergleich zum einaxialen Fall ebenfalls Abweichungen im Rissbildungsprozess und im Verformungsverhalten zweiaxial beanspruchter Bauteile.
In der ersten Projektphase wurde bereits an kleinteiligen Versuchen das Verbundverhalten von Betonstahl unter Querzug sowie das zweiaxiale Zugtragverhalten unbewehrter Betonscheiben ermittelt. In der zweiten Projektphase sollte anhand von großformatigen Versuchen das Tragverhalten von Spannbetonbauteilen unter zweiaxialer Zugbeanspruchung experimentell untersucht werden. Dafür wurden Scheiben mit realitätsnahen Bauteilabmessungen von 3,0 × 1,1 × 0,25 m und einer Bewehrung aus Betonstahl und Spannstahl mit nachträglichem Verbund im zweiaxialen Zugversuch geprüft.
Das globale und lokale Verformungsverhalten der Prüfkörper wurde mittels umfangreicher Messtechnik aufgezeichnet. So wurden u. a. Dehnungen in den verschiedenen Bauteilebenen – auf der Betonoberfläche, dem Betonstahl und auf den Spannstahllitzen – gemessen. Zusätzlich wurden die Verformungen der Betonoberfläche, die Rissbreiten und die Rissabstände über ein 1,0 × 1,0 m großes Messfeld mittels digitaler Nahbereichsphotogrammetrie erfasst.
Ziel des Projektes ist es, die anhand der Klein – und Großversuche ermittelten Materialparameter für eine realitätsnahe FE-Simulation des Verformungs- und Leckageverhaltens eines Spannbetoncontainments zur Verfügung zu stellen.
2. Bericht aus dem Jahrbuch 2010
Beton unter mehraxialer Zugbelastung
Versuchskörper
Stahlbetonbauteile können sowohl unter regulären Betriebs- und Gebrauchszuständen als auch bei außergewöhnlichen Beanspruchungen eine mehraxiale Zugbeanspruchung erfahren. Einaxiale Spannungszustände in Bauteilen können mit relativ klar definierten Materialeigenschaften beschrieben werden. Bei mehraxialen Spannungszuständen sind hingegen genauere Kenntnisse über die oft veränderten Materialeigenschaften erforderlich. Solche veränderlichen Materialeigenschaften beeinflussen wiederum das Zusammenwirken von Beton und Bewehrung (Betonstahl und/oder Spannstahl).
Auf solchen Überlegungen aufbauend, sind in der Vergangenheit Untersuchungen zur mehraxialen Festigkeit von Beton durchgeführt worden. Wird der Beton einer gleichzeitigen Druckbeanspruchung aus zwei oder drei Richtungen ausgesetzt, so steigt seine Bruchfestigkeit gegenüber dem einaxialen Fall i. d. R. an. Diese Festigkeitserhöhung darf lt. DIN 1045 auch in Ansatz gebracht werden, z. B. bei der Teilflächenbelastung oder bei der Anwendung von Stabwerkmodellen (Druckknoten). Die bekannten Aussagen zum Bruchverhalten von Beton unter mehraxialer Zugbelastung sind hingegen weniger eindeutig und reichen von einer Zunahme der Zugfestigkeit über das Gleichbleiben bis zur Abnahme der Bruchfestigkeit gegenüber der einaxialen Zugfestigkeit. Zumeist wird die Zugfestigkeit von Beton bei der Tragfähigkeitsbemessung nicht angesetzt. Bei der Auslegung von Verankerungslängen oder bei den Nachweisen im Gebrauchszustand kann sie jedoch nicht vernachlässigt werden. So wird z. B. bei der Bestimmung der Rissbreite mit der wirksamen Zugfestigkeit des Betons zum betrachteten Zeitpunkt gerechnet. Wie verhält sich jedoch Beton unter mehraxialer Zugbeanspruchung? Eine normative Regelung zu dieser Fragestellung existiert derzeit nicht.
Am Institut für Massivbau der TU Dresden wurden deshalb Versuche zur Bestimmung der zweiaxialen Zugfestigkeit von Beton durchgeführt. Das Versuchsprogramm umfasste zwei Betonfestigkeitsklassen – C20/25 und C40/50. Je Serie wurden 24 scheibenförmige Versuchskörper geprüft. Untersucht wurden die Spannungsverhältnisse σ2 / σ1 = 0 / 0,25 / 0,5 / 1.
Im Ergebnis der durchgeführten Versuche kann festgestellt werden, dass die Beurteilung der Zugfestigkeit des Betons unter mehraxialer Zugbelastung in Abhängigkeit der Betonfestigkeitsklasse erfolgen muss. Die zweiaxiale Zugfestigkeit des Betons C20/25 entspricht der einaxialen Zugfestigkeit. Dagegen nimmt die zweiaxiale Zugfestigkeit des Betons C40/50 gegenüber der einaxialen Zugfestigkeit ab.
Bericht aus dem Jahrbuch 2009
Stahl- und Spannbeton unter Querzug
Verbunduntersuchung bei Querzug
Im Störfall wird ein Stahlbetoncontainment als räumliches Tragwerk großen Druck- und Temperaturbelastungen ausgesetzt. Die Stahlbetonstruktur des zumeist zylindrisch aufgebauten Behälters gerät dabei sowohl in Umfangs- als auch in vertikaler Richtung unter eine Zugbeanspruchung. Bei der Überschreitung einer kritischen Grenze kann diese zweiaxiale Beanspruchung offenbar bereits auf einem niedrigeren Niveau zu einer Rissbildung im Containment führen, als aus der Erfahrung mit einaxialen Tests abzuleiten wäre. Für Leckratenberechnungen und die Beurteilung von Grenzzuständen bei Störfällen sind daher präzisierte Kenntnisse über die Abläufe der Rissentstehung sowie über die weitere Verformungsentwicklung bereits entstandener Risse notwendig.
Ziel des Projektes ist es, die Veränderungen bei der Erstrissentstehung infolge einer zusätzlichen Querzugbelastung unter Berücksichtigung der spezifischen Verbundbedingungen zwischen Beton und Bewehrungsstahl sowie zwischen Beton und Spannstahl zu untersuchen. Anhand der Ergebnisse der im Vorhaben durchzuführenden Versuche sollen die Verbundeigenschaften bei Auszug des Betonstahls unter Querzugbeanspruchung beschrieben und damit die Vorhersage des Verformungsverhaltens des Containments bis zum Abschluss der Erstrissbildung präzisiert werden.
Das Forschungsvorhaben gliedert sich in drei Einzelthemen.
- Bestimmung des Verbundverhaltens zwischen Beton und Betonstahl unter Querzug. Innerhalb der hier durchgeführten Versuche wird die Abhängigkeit des Verbundwiderstandes zu einer senkrecht zur Bewehrung wirkenden Zugkraft untersucht. Die Querzugkraft liegt unterhalb der Zugfestigkeit des Betons.
- Bestimmung des Einflusses einer zweiaxialen Zugbelastung auf die Zugfestigkeit des Betons. Um die Beanspruchung und Verformung der Verbundzone wirklichkeitsnah zu erfassen, wird das Verhalten des Betons unter zweiaxialer Zugbeanspruchung untersucht. Ein Vergleich mit der einaxialen Zugfestigkeit wird angestellt.
- Bestimmung des Verbundverhaltens von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund. Bedingt durch die zusätzlichen Elemente Hüllrohr und Verpressmörtel gelten im Spannbetonbau veränderte Verbundübertragungsmechanismen. Diese und die Rissbildung werden an Probekörpern mit realen Bauteilgrößen auch unter Berücksichtigung eines vorhandenen Querzuges untersucht.