Modellierung des Verbundverhal­tens von Beton- und Spannstahl unter Querzug

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektdaten
      2. Bericht im Jahrbuch 2015
      3. ​Bericht im Jahrbuch 2014
      4. Bericht im Jahrbuch 2013

Projektdaten

Titel | Title Modellierung des Verbundverhaltens von Beton- und Spannstahl unter Querzug | Behaviour of concrete and posttensioning steel under transverse tension Förderer | Funding Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Zeitraum | Period 07/2012 − 09/2015 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter | Contributor Dipl.-Ing. Robert Zobel

Das den folgenden Berichten zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 1501428 gefördert.

Bericht im Jahrbuch 2015

Platten unter Zug​

​ Grundvoraussetzung für die Tragwirkung von Stahl- und Spannbetonbauteilen ist das Zusammenwirken der Stahlbewehrung und des Betons. Im Bereich eines Trenn- oder Biegerisses werden die Zugkräfte allein von der Bewehrung aufgenommen und über den Verbund wieder in den Beton eingeleitet. Rissbreiten und -abstände sowie das Verformungsverhalten sind damit maßgeblich von den Verbundeigenschaften der einbetonierten Bewehrung abhängig.

Aufbauend auf den numerischen Untersuchungen der vergangenen zwei Jahre bildete die Simulation von Stahl- und Spannbetonbauteilen unter einer zweiaxialen Zugbelastung, wie sie beispielsweise in einer Containmentwand auftreten kann, den Abschluss des Projektes. Dabei wurden die Großbauteilversuche eines bereits abgeschlossenen Vorhabens modelliert. Dort waren scheibenförmige, in Längs- und in Querrichtung mit herkömmlichem Bewehrungsstahl bewehrte Versuchskörper getestet worden. Zusätzlich waren drei Längsspannglieder im nachträglichen Verbund eingelegt. Unter Ausnutzung von Symmetrien wurde die Modellierung des Großbauteilversuchs auf ein Viertel reduziert. Der Beton wurde mit Volumenelementen und die Bewehrung mit Balkenelementen abgebildet. Das Verbundverhalten zwischen beiden wurde mithilfe eines Knoten-Knoten-Kontaktes berücksichtigt, für welchen speziell ein Verbundmodell in ANSYS implementiert wurde. Die Beschreibung des nichtlinearen Materialverhaltens des Betons erfolgt durch die Verwendung eines elasto-plastischen Materialmodells.

Die Ergebnisse der FEM-Berechnungen bestätigen die experimentellen Resultate. Eine zwei­axiale Zugbelastung beeinflusst das Tragverhalten des Bauteils. Das Kraft-Verformungsverhalten aus der Simulation zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem aus dem Versuch. In der Rissbildungsphase wirkten die orthogonale Netzbewehrung und die eingelegten Spannglieder als Rissufer. Die Rissbildungsphase wurde vor allem durch querzuginduzierte Risse beeinflusst. Des Weiteren führten querzuginduzierte Risse zu einer Abnahme der Dehnsteifigkeit in Längsrichtung im ungerissenen Zustand. Dagegen führte im ungerissenen Zustand eine gleichzeitige Laststeigerung von Längs- und Querzug zu einer Erhöhung.

Das implementierte Verbundmodell in ANSYS kann nun bei Simulationen von großen Strukturen angewendet werden, wodurch eine Verbesserung zur Vorhersage des Gesamtverhaltens der Struktur, aber auch der Rissbildung möglich ist.​

​Bericht im Jahrbuch 2014

Einblicke ins Innere

Gemischt bewehrte Bauteile zeichnen sich durch Vielseitigkeit in der Anwendung, Dauerhaftigkeit im Gebrauch und Beständigkeit in Extremsituationen aus. Zur Sicherstellung dieser Leistungsfähigkeit ist es nicht nur erforderlich, die Einzelkomponenten Stahl und Beton genauer zu untersuchen, sondern auch das Verbundverhalten zwischen beiden Werkstoffen zu berücksichtigen. Um ein besseres Verständnis der dabei stattfindenden komplizierten Vorgänge zu erlangen, ist neben Experimenten auch eine numerische Untersuchung des Verbundtragverhaltens mithilfe der Methode der finiten Elemente (FEM) erforderlich. Mithilfe der FEM ist es möglich, Einblicke in das Verbundverhalten zu gewinnen. Gleichzeitig kann mit einem geeigneten FE-Modell die Anzahl kostenintensiver Verbundversuche im Labor deutlich reduziert werden.

Während im vergangenen Jahr das Verbundverhalten zwischen Betonstahl und Beton numerisch analysiert wurde, lag der Fokus in diesem Jahr bei der Modellierung des Verbundverhaltes von Spanngliedern im nachträglichen Verbund. Analog zum Betonstahl im sofortigen Verbund können für Spannglieder mit nachträglichem Verbund die bekannten Verbundmechanismen angewendet werden. In Abhängigkeit der Relativverschiebungen wirken somit der Haft, der Scher- und der Reibverbund. Allerdings ist bei Spanngliedern mit nachträglichem Verbund durch die beiden zusätzlichen Komponenten Injektionsmörtel und Hüllrohr die Verbundwirkung gegenüber der von Betonstählen schwieriger zu erfassen und zu beschreiben. Verglichen mit dem Betonstahl im unmittelbaren Verbund sind die Einflussfaktoren bei Spanngliedern im nachträglichen Verbund also noch vielfältiger.
Eine große Herausforderung war u. a. die exakte Modellierung der unterschiedlichen Oberflächenprofilierungen von Spannstählen aufgrund von deren Geometrie und der großen Anzahl Kontakte. Es wurden bspw. Monolitzen, Litzenbündel, glatte Stäbe und gerippte Stäbe anhand von Ausziehversuchen rechnerisch untersucht. Die FE-Ergebnisse bestätigen die experimentellen Resultate. Die innere Rissbildung und somit die Ausbildung der Druckstreben hängen besonders von der Profilierung der Spannstähle und der Dicke des Injektionsmörtels ab. In Abhängigkeit der Oberflächenprofilierung stellten sich erwartungsgemäß zudem unterschiedliche Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen ein.

Bericht im Jahrbuch 2013

Verbund zwischen Beton und Betonstahl unter Querzug

Viele Faktoren beeinflussen den Verbund von Beton und Betonstahl. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist eine Querzugbeanspruchung orthogonal zur Längsrichtung des Bewehrungsstahls, wie sie beispielsweise bei Siedewasser- und Druckbehältern unter Innendruck oder bei zweiachsig gespannten Platten auftreten.

Zur Beschreibung und Darstellung des Verbundverhaltens wird häufig der Zusammenhang zwischen der Verbundspannung als Summe der drei Verbundmechanismen Haft-, Reib- und Scherverbund und dem Schlupf, definiert als Relativverschiebung zwischen Beton und Betonstahl, verwendet. Mithilfe von Ausziehversuchen erfolgt die experimentelle Ermittlung der Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen und der damit verbundenen Versagensart. Dabei werden grundsätzlich zwei Arten unterschieden: Stab­auszug aus dem Beton oder plötzliches unangekündigtes Spalten des den Bewehrungsstahl umgebenden Betons. Durch eine zusätzlich auftretende Querzugbeanspruchung werden neben der Versagensart die Entstehung von Rissen und die sich einstellenden Rissbreiten beeinflusst. Dies ist speziell bei Behältern und Containments von großer Bedeutung, da dort eine Leckage zwingend vermieden werden muss. Deshalb ist für eine bessere und genauere Vorhersage des Verhaltens derartiger Strukturen neben der realitätsnahen Erfassung der Einzelkomponenten Stahl und Beton auch das Verbundverhalten zwischen ihnen zu berücksichtigen.

Da die Abbildung der Rippengeometrie des Betonstahls bei der Berechnung komplexer Strukturen einen erheblichen Ressourcenbedarf erfordert, wird diese im Allgemeinen vernachlässigt und die Bewehrung als glatter Stab approximiert. Die Verbundeigenschaften zwischen Beton und Stahl werden hierbei über Kontakt­elemente realisiert, die zwischen den beiden Verbundpartnern wirken. Für die Anwendung der Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in dem FE-Programm ANSYS wird nun ein ebenes Kontaktelement entwickelt, welches die wesentlichen Eigenschaften des Verbundverhaltens unter Querzugbeanspruchung abbildet. Für Vergleichsrechnungen werden Ausziehversuche modelliert und simuliert. Anschließend werden die Ergebnisse mit den experimentellen Daten verglichen. Neben der Richtigkeit spielt auch die Funktionalität der Modellierung eine wichtige Rolle. Nach erfolgreicher Verifikation des entwickelten Kontaktelementes kann dieses auch bei großen Strukturen angewendet werden, wodurch eine Verbesserung der Vorhersage des Gesamtverhaltens der Struktur, aber auch der Rissbildung möglich ist.