Auswirkung von Querzug und Ermüdung auf den Verbund zwischen Beton und Bewehrungsstahl
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Die Auswirkungen der Kombination von Querzug und Ermüdungsbeanspruchung auf den Verbund zwischen Beton und Bewehrungsstahl | The effects of the combination of transverse tension and fatigue on bond between concrete and reinforcing steel Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG Zeitraum | Period 04.2007 – 03.2009 (1. Periode) 11.2009 – 03.2012 (2. Periode) Leiter | Project Manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter | Contributor Dr.-Ing. Alexander Lindorf |
Kurzbeschreibung
In den letzten Jahren werden zunehmend Stahlbetontragwerke bzw. -bauteile hergestellt, bei denen eine zweiachsige Lastabtragung unter nicht vorwiegend ruhender Belastung auftritt. Typische Beispiele sind Stahl-Verbund-Decken im Industriebau mit nicht vorwiegend ruhender Belastung durch schwere Gabelstapler oder schlaff bewehrte Fahrbahnplatten im Stahl-Verbund-Brückenbau und in Parkhäusern. Bei einer planmäßig auftretenden Längszugbeanspruchung setzt im Zustand II eine Rissbildung mit parallel zur Querbewehrung verlaufenden Rissen ein. Dadurch unterliegen die Querstäbe veränderten Verbundbedingungen, wobei der ungünstigste Fall dann eintritt, wenn ein derartiger Riss entlang eines Stabes verläuft.Im Rahmen dieses Vorhabens soll geklärt werden, wie die Verbundeigenschaften unter dynamischer Beanspruchung bei gleichzeitig wirkendem Querzug einschließlich Rissbildung beschrieben werden können. Dazu werden Versuchskörper aus Normalbeton und Hochleistungsbeton hergestellt, in denen ein planmäßiger Riss erzeugt und ein im Riss liegender Bewehrungsstahl dynamisch belastet wird. Aus den Versuchen soll ein Modell abgeleitet werden, das die veränderten Randbedingungen - Querzug, Rissbreite, dynamische Belastung - berücksichtigt und das für eine Bemessung hinsichtlich Ermüdung bzw. Lebensdauer verwendet werden kann.
Bericht aus dem Jahrbuch 2011
Verbundermüdung unter Querzug
Betonage der Probekörper
Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens steht die gezielte Analyse des Verbundverhaltens zwischen Bewehrungsstahl und Beton unter kombinierter Beanspruchung aus Ermüdung und Querzug. Den Hintergrund bilden Stahlbetonbauteile, wie z. B. Fahrbahnplatten von Verbundbrücken, welche einen zweiaxialen Lastabtrag unter nicht vorwiegend ruhenden Belastungen aufweisen.
Die Untersuchungen für normal- und hochfesten Beton erfolgten an Ausziehkörpern mit einem durch Querzugspannungen hervorgerufenen Längsriss entlang des Bewehrungsstabes. Das Versuchsprogramm beinhaltete hochzyklische Schwellversuche mit vier verschiedenen Schwingspielen und variierenden Längsrissbreiten bis zu einer Million Lastwechseln. Die Gegenüberstellung der einzelnen Belastungsbedingungen erfolgte anhand der Schlupfentwicklung zwischen Bewehrungsstab und Beton in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl. Dabei konnte eine deutliche Abhängigkeit des Verbundwiderstandes vom Querzug beobachtet werden. Je breiter der querzugbedingte Längsriss war, desto stärker wuchs der Schlupf. Dieser stand zudem unter dem Einfluss der Mittelspannung, der Spannungsschwingbreite sowie der Betonfestigkeit. Die analytische Beschreibung der Schlupfentwicklung gemäß Model Code 90 konnte entsprechend den Versuchsergebnissen modifiziert werden.
Aufbauend auf der Vorhersage der Schlupfentwicklung erfolgte die Ableitung von Wöhlerlinien der Verbundermüdung. Da bereits die Überschreitung einer bestimmten Relativverschiebung für den Verbund zwischen Stahl und Beton kritische Folgen hat, wurden die Verbundwöhlerlinien auf der Grundlage eines zulässigen Schlupfzuwachses von 0,1 mm in Form von normierten Wöhlerlinien aufgestellt. Diese können direkt in Beziehung zu den Wöhlerlinien der Betonstahlermüdung gesetzt werden und vereinfachen durch die Normierung auf Quasi-Dauerfestigkeitswerte bei einer Grenzlastwechselzahl von 1 Million die Erstellung von Dauerfestigkeitsdiagrammen. Aus diesen können die für Bemessungszwecke benötigten, zulässigen Spannungsschwingbreiten in Abhängigkeit von der Längsrissbreite abgelesen werden. Es wird deutlich, dass die Ermüdungsfestigkeit des Verbundes durch das Vorhandensein eines Längsrisses gegenüber der Betonstahlermüdung verstärkt an Bedeutung gewinnt. Damit muss hinterfragt werden, inwieweit das bisherige Verfahren mit getrennten Ermüdungsnachweisen für Bewehrungsstahl und Beton ausreicht, dieser Problematik gerecht zu werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2010
Verbundermüdung unter Querzug
Verbundzone bei einem Beton C30/37
Es gibt eine Vielzahl von Faktoren, die das Verbundverhalten von Bewehrungsstahl und Beton beeinflussen. Dazu zählen u. a. Beanspruchungen infolge Ermüdung und Querzug. Diese beiden Faktoren können getrennt oder – wie z. B. bei Stahlverbundbrücken – auch gleichzeitig auftreten. Große Stahlverbundbrücken bestehen häufig aus einem Stahlhohlkasten, auf welchem eine Fahrbahnplatte aus Stahlbeton aufgebracht wird. Die Fahrbahnplatte erfährt in Brückenlängsrichtung über den Auflagern eine Zugbelastung, die zu einer Rissbildung entlang der Querbewehrung führt. Die Querbewehrung wiederum wird über den Stegen des Hohlkastens auf Zug belastet. Während die Zugbelastung in Brückenlängsrichtung durch das hohe Eigengewicht der Brücke annähernd gleich bleibt, wird die Querbewehrung durch den Fahrzeugverkehr zyklisch beansprucht. Damit stellte sich die Frage, wie das Verbundverhalten für einen derartigen Bewehrungsstab sinnvoll beschrieben werden kann, denn in der Vergangenheit wurden die Verbundeigenschaften entweder für statische Belastungen mit Querzug oder aber für rein zyklische Beanspruchungen untersucht.
Das bereits 2007 begonnene Versuchsprogramm konnte in diesem Jahr fortgesetzt werden. Während alle bisherigen Untersuchungen mit normalfestem Beton durchgeführt worden waren, steht nunmehr Beton mit höherer Festigkeit im Mittelpunkt. Das Versuchsprogramm umfasst hochzyklische Ausziehversuche mit vier verschie-denen Schwingspielen und drei unterschiedlichen Längsrissbreiten. Mit einer Querschnittsschwächung des Probekörpers entlang des Ausziehstabes wird der Riss vordefiniert. Die Querzugbela-stung, die die vorgegebene Rissbreite erzeugt, wird auf vier Querstäbe aufgebracht, die im Ausziehkörper einbetoniert sind.
Die Qualität des Verbundes wird anhand des Schlupfwachstums zwischen Bewehrungsstab und Beton in Abhängigkeit der Lastwechselzahl beurteilt. Bei der Auswertung konnte ein deutlicher Einfluss des Querzugs auf den Verbundwiderstand unter schwellender Belastung festgestellt werden. Je breiter der Längsriss durch Querzug war, desto stärker wuchs der Schlupf. Die analytische Beschreibung des Schlupfwachstums gemäß Model Code 90 konnte entsprechend den vorhandenen Versuchsergebnissen modifiziert werden. Aufbauend auf der Vorhersage der Schlupfentwicklung wurden Wöhlerlinien der Verbundermüdung abgeleitet. Nach Abschluss aller Versuche sollen daraus Dauerfestigkeitsschaubilder nach Smith gebildet werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2009
Verbundermüdung unter Querzug
Schlupfmessung
Längsrisse. Eine große Anzahl von Stahlbetonbauteilen unterliegt einem zweiaxialen Lastabtrag unter zyklischer Beanspruchung. Typische Beispiele sind Industriebauten mit Stahlbetondecken oder Verbundbrücken mit nicht vorgespannten Fahrbahnplatten. Massige Gabelstapler oder Schwerlastfahrzeuge rufen nicht ruhende Belastungen in diesen Elementen hervor. Die Zugspannungen in der Hauptlastrichtung bewirken die Bildung von Rissen parallel zu den Querbewehrungs stäben. Tritt ein derartiger Riss direkt entlang eines Bewehrungsstabes auf, wird besonders die Verbundqualität der Querbewehrung beeinträchtigt.
Ausziehversuche. Um das Verbundverhalten zwischen Beton und Rippenstahl unter Ermüdung und Querzug zu bewerten, wird seit 2007 ein entsprechendes Versuchsprogramm durchgeführt. Dazu wurden Ausziehkörper mit einem Längsriss entlang des Bewehrungsstabes entworfen, welche einer schwellenden Ausziehbelastung ausgesetzt werden. Alle bisherigen Versuche wurden mit Betonprismen der Abmaße 300 mm x 300 mm x 160 mm, einem Ausziehstab mit 16 mm Durchmesser und einer Verbundlänge von 10 Stabdurchmessern durchgeführt. Eine Einschnürung des Prismas gab den Ort des Längsrisses entlang des Ausziehstabes vor. Die erforderliche Querzugbelastung wurde auf vier Querzugstäbe durch einen gesonderten Stahlrahmen aufgebracht. Die Festlegung der Schwingspiele orientierte sich an den normativen Regelungen für Rippenstäbe im Grenzzustand der Ermüdung. Die hochzyklischen Versuche mit bis zu einer Million Lastwechseln beinhalteten vier verschiedene Schwingspiele mit drei unterschiedlichen Rissbreiten.
Schlupfanstieg. Für den Vergleich der verschiedenen Belastungsbedingungen wurde das Schlupfwachstum zwischen Bewehrungsstab und Beton in Abhängigkeit der Lastwechselzahl herangezogen. Der Einfluss des Querzuges auf den Verbundwiderstand unter schwellender Belastung verdeutlichte sich. Je breiter der Längsriss durch Querzug wurde, desto stärker wuchs der Schlupf und umso eher versagte der Verbund. In einigen Fällen führte das Schlupfwachstum gemäß Model Code 90 zu einer Unterschätzung des Schlupfanstieges. Hinsichtlich der untersuchten Rissbreiten konnte eine Verbesserung des Ansatzes vorgenommen werden. Mit der Vorhersage der Schlupfentwicklung wurden erste Wöhlerlinien der Verbundermüdung für Bemessungszwecke abgeleitet. Alle Ausziehversuche mit Normalbeton konnten in diesem Jahr beendet werden. Der nächste Schritt beinhaltet vergleichbare Untersuchungen für hochfesten Beton.