Untersuchungen zur Kraftübertragung in Rissen von Stahlbetonbalken infolge Querkraft- und Torsionsbeanspruchung
Beteiligte
Prof. Dr.-Ing. Günter A. Rombach
Kurzbeschreibung
Die Gebrauchs- und Tragfähigkeit von Betontragwerken wird wesentlich durch die Rissbildung beeinflusst. Daher ist es wichtig, die Entstehung und Ausbreitung von Rissen, besonders infolge Querkraft- oder Torsionsbeanspruchung, genauer zu verstehen. Der Schwerpunkt des Forschungsprojektes liegt in der Ermittlung der Kraftübertragung über die Rissflanken, auch Rissreibung oder „Aggregate Interlock“ genannt, dessen Anteil an der Querkrafttragfähigkeit sehr umstritten ist.
Das Forschungsprojekt besteht aus einem experimentellen und einem theoretischen Teil. Zunächst werden 14 einfeldrige Stahlbetonbalken mit und ohne Bügelbewehrung durch eine mittige Kraft bzw. ein Torsionsmoment bis zum Bruch belastet. Variiert werden die wesentlichen Einflussparameter, wie der Balkenquerschnitt, die Druckfestigkeit fc, der Durchmesser des Größtkorns ag sowie der Längs- und Querbewehrungsgrad ρL und ρw. Während der Versuche wird die Rissentwicklung kontinuierlich, sehr detailliert mittels photogrammetrischer Messtechnik aufgezeichnet. Außerdem werden die Stahldehnungen in der Längs- und Bügelbewehrung mittels faseroptischen Verfahren, sowie die Betondehnungen und die Verformungen, bestimmt. Zusätzlich wird die Bruchenergie GF experimentell ermittelt.
Im zweiten Teil wird für einzelne Laststufen die Rissreibung im Versuch entlang des kritischen Risses bestimmt. Hierfür werden verschiedene analytische Modelle verwendet, mit welchen sich in Abhängigkeit von den risskinematischen Größen die Spannungsübertragung zwischen den Rissoberflächen bestimmen lässt. Die so bestimmte Rissreibungskraft wird mit der einwirkenden Querkraft verglichen.
Ziel des Forschungsprojektes ist zum einen ein besseres Verständnis der Entwicklung von Querkraft- und Torsionsrissen in Betonbauteilen und zum anderen eine Klärung der derzeit sehr umstrittenen Frage des Querkraftanteils aus der Rissreibung.
Förderung
Dieses Projekt wird finanziell durch die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Maßgebender Biegeschubriss im Versuch
Risskinematik entlang des Risses bei maximaler Last Fmax
Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Schubkraftübertragung in gerissenen Stahlbetonbalken ohne Querkraftbewehrung
Beteiligte
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Günter A. Romach
Kurzbeschreibung
Das Gebrauchs- und Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen wird maßgeblich durch Entstehung und Ausbreitung von Rissen beeinflusst. Für numerische Simulationen basierend auf der Finiten Elemente Methode können größtenteils die Diskontinuität in einem Riss nur verschmiert wiedergeben. Genauere Aussagen zu der Kraftübertragung im Riss sind hierzu nicht möglich.
Im Rahmen dieses Projektes wird die Anwendbarkeit der diskreten Rissanalyse mittels der „extended finite element method (XFEM)“ unter Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens von Beton erforscht. Mit der Implementierung geeigneter Subroutines zur Beschreibung der Risskinematik und der Kornverzahnung der Gesteinspartikel, wird das Ziel verfolgt eine für die Ingenieurpraxis anwendbare Simulationstechnik zu ermöglichen, welche die Schubkraftübertragung an den Rissufern realitätsnah abbildet und weitere Erkenntnisse zum Querkraftanteil der Rissreibung liefert. Zur Bestimmung der Kraftübertragung zwischen zwei Rissufern („Aggregate Interlock“) kommen verschiedene Verzahnungsmodelle zum Einsatz. Die numerisch gewonnen Ergebnisse werden anhand von experimentell erfassten Daten aus photogrammetrischer Messungen an Balken validiert.
Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonplatten - Tragverhalten von Stahlbeton-Plattentragwerken unter auflagernahen Einzellasten
Beteiligte
Dr.-Ing. L. Henze
Prof. Dr.-Ing. G. Rombach
Kurzbeschreibung
Der Lastabtrag in Stahlbetonplatten ohne Querkraftbewehrung infolge von auflagernahen konzentrierten Blocklasten (bspw. Stützen- oder Radlasten) ist bislang noch nicht zufriedenstellenstellend geklärt. Dieses belegen auch umfangreiche Forschungsaktivitäten zu diesem Thema u.a. im Ausland. Bei auflagernaher Laststellung können größere Teile der einwirkenden Kräfte über eine direkte Abstützung (Druckstreben) zum Auflager abgetragen werden. Diese Lastanteile müssen bei der Querkraftbemessung nicht in vollem Umfang berücksichtigt werden, da ein Querkraftversagen aufgrund des inneren Spannungszustands in diesen Bereichen nicht zu erwarten ist. Auflagernahe Einzellasten können daher nach EC2-1-1 beim Querkraftnachweis aufgrund des teilweisen direkten Lastabtrags mit einem Faktor β reduziert werden. Die Grundlagen dieses Ansatzes wurden in den 1960er Jahren anhand von Versuchen an Balken durch Leonhardt und Kani abgeleitet. Es stellt sich die Frage inwieweit die Ergebnisse auf Stahlbetonplatten übertragbar sind, deren 2-axiales Tragverhalten sich signifikant von dem der Balken unterscheidet. Versuche an Platten unter konzentrierten Einzellasten lassen vermuten, dass, im Unterschied zu Balkentragwerken, auch bei Schubschlankheiten a/d > 2,5 nennenswerte Anteile von Blocklasten über eine direkte Abstützung zwischen Last und Auflager abgetragen werden.
Um die vermuteten Tragreserven bei der Bemessung von Stahlbetonplatten berücksichtigen zu können, werden genauere und plattenspezifische Rechenansätze benötigt. Hierzu werden umfangreiche großmaßstäbliche Versuche sowie numerische Simulationen durchgeführt. Eine Klärung dieser Fragen ist sowohl aus wirtschaftlichen Gründen, als auch zur sicheren Beurteilung der Tragfähigkeit bestehender Tragwerke dringend erforderlich.
Das umfangreiche Forschungsvorhaben wird von der DFG gefördert
Einfluss der Verbundermüdung auf das Rissverhalten von Offshore-Bauwerken
Beteiligte
Dr.-Ing. T. Arana Villafán
Prof. Dr.-Ing. G. Rombach
Kurzbeschreibung
Betriebsbeanspruchungen bewirken eine allmähliche Verbunddegradation zwischen Bewehrung und dem umliegenden Beton, was zu inneren Spannungsumlagerungen und einem geänderten Rissverhalten von Stahl- und Spannbetonbauteilen führen kann. Die Schädigungsmechanismen des Verbundes sind ähnlich wie bei der Betonermüdung. Es ist ferner bekannt, dass die Beanspruchungshistorie und der mehraxiale Spannungszustand des Bauteils hierbei einen signifikanten Einfluss haben. Insbesondere hinsichtlich der Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit und Ermüdungstragfähigkeit von Offshore-Bauwerken ist die Kenntnis der inneren Beanspruchungen und des Rissverhaltens von Stahl- und Spannbeton unter ermüdungswirksamen Lasten bedeutsam. Neben einer vertieften Untersuchung zur Berechnung der Beanspruchungen von Offshore-Bauwerken – hauptsächlich schwimmenden Bauwerken – soll anhand von Versuchen die Verbunddegradation unter stochastischen Lastspektren mit ähnlichen Parametern wie bei realen Offshore-Bauwerken analysiert und quantifiziert werden. Mit den Ergebnissen sollen bestehende Berechnungsmodelle ergänzt werden, um die langzeitige Spannungsverteilung und das Rissverhalten von Scheiben und Platten besser zu erfassen.
Verbundlose Vorspannung
Beteiligte
Prof. Dr. G. Rombach
Kurzbeschreibung
Auf die Vorspannung von Stahlbetonkonstruktionen kann heutzutage nicht verzichtet werden. Weitgespannte Brücken, extrem schlanke Spannbandkonstruktionen, große Schalentrag-werke oder wasserdichte Behälter, um nur einige Beispiele zu nennen, wären ohne eine Vorspannung in Beton nicht ausführbar. Die Vorspannung wird neben dem Brückenbau zunehmend im Hoch- und Industriebau eingesetzt. Obwohl die Vorspannung seit ca. 60 Jahren zum Einsatz kommt sind nach wie vor zahlreiche Probleme bei der Bemessung und Konstruktion nicht zufriedenstellend geklärt. Dies betrifft insbesondere die verbundlose oder externe Vorspannung, welche seit ca. 4 Jahren im Brückenbau in Deutschland vor-geschrieben ist. Erhebliche Probleme bereitet hier die Konstruktion und Bemessung der Umlenk- stellen und Ankerbereiche. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es die statischen und dynamischen Beanspruchungen an den Umlenkstellen zu untersuchen und genauere Bemessungsansätze und wirtschaftlichere Konstruktionen zu entwickeln. Weitere Anwendungsbereiche der externen Vorspannung stellen unterspannte Konstruktionen dar, welche bislang aufgrund von ungeklärten Fragen in Deutschland nicht zulässig sind.
Segmentbrücken
Beteiligte
Prof. Dr. G. Rombach
Kurzbeschreibung
Die Bemessung der massiven Querträger in Brücken und speziell der Pfeilersegmente von extern vorgespannten Segmentbrücken basiert auf zahlreichen Vereinfachungen und Annahmen. Risse in verschiedenen Tragwerken zeigen, dass die vorhandenen Berechnungsmethoden nicht ausreichen.
Innerhalb dieses Forschungsprojektes wurden mit Hilfe von 2D und 3D elastischen und inelastischen Finite Elemente Berechnungen realistischere Stabwerkmodelle für die Bemessung von Pfeilersegmenten infolge Vertikal- und Horizontallasten (Vorspannung) entwickelt. Weiterhin ergaben die Berechnungen einer ,Standard'-brücke, dass die erste Fuge nicht vollkommen überdrückt ist, wie es die Richtlinien fordern. Hierdurch wird die Dauerhaftigkeit der Konstruktion beeinträchtigt.
Segmentbrücken werden meistens mit dem Kontaktverfahren hergestellt um eine möglichst gute Passgenauigkeit der einzelnen Fertigteile zu erzielen. Infolge der Hydratationswärme beim Abbinden des Betons kommt es jedoch zu einer Temperaturverformung des neuen Segmentes. Dies führt nach Abkühlung zu einem Spalt in der Fuge zwischen zwei Segmenten. Ein spezielles thermo-mechanischen Finite Elemente modell wurde entwickelt um das Verhalten der Segmente bei der Herstellung im Kontaktverfahren zu simulieren. Sowohl die Temperaturverteilung im Betonkörper infolge der Hydratation als auch die hieraus resultierenden Spannungen und Verformungen können zu jeden beliebigen Zeitpunkt für beliebige Umgebungsbedingungen bestimmt werden.
Beanspruchungen von Silos
Beteiligte
Prof. Dr. G. Rombach
Kurzbeschreibung
Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahren ist die Ermittlung der Schüttguteinwirkung auf Silozellen bei exzentrischer Entleerung mit großen Unsicherheiten behaftet. Daher sind die Rechenverfahren im EC1 Teil 4 nur für Silos zulässig, deren Öffnung eine Exzentrizität von weniger als ¼ des Siloradiuses aufweist. Da in der Praxis erheblich größere Exzentrizitäten ausgeführt werden sind Berechnungsansätze hierfür dringend erforderlich. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird ein physikalisch und geometrisch nichtlineares 3-D Finites Element Programm entwickelt, welches es gestattet, die Schüttguteinwirkungen von Silozellen beliebiger Geometrie sowohl während des Füllvorganges als auch bei der dynamischen exzentrischen Entleerung zu bestimmen. Verschiedene komplexe Materialmodelle wurden implementiert. Weiterhin wurde ein 3D Interfaceelement entwickelt. Große Probleme bereiten insbesondere die langen Rechenzeiten. Daher werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Mathematik der Universität Dortmund effizientere numerische Verfahren entwickelt. Die Ergebnisse der FE-Analysen sollen dazu dienen, praxisgerechte Berechnungsmodelle zu entwickeln.
Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonbalken mit Querkraftbewehrung
Beteiligte
Dr.-Ing. Björn Schütte
Prof. Dr.-Ing. G. Rombach
Kurzbeschreibung
Obwohl seit mehr als 120 Jahren im Bereich der Querkrafttragfähigkeit von Balken mit Querkraftbewehrung geforscht wird, bestehen immer noch offene Fragen zum Tragverhalten.
Insbesondere hochbelastete Bereiche sind nur durch eine geringe Anzahl von Versuchen abgesichert. Es besteht somit noch Klärungsbedarf in wie weit die zurzeit üblichen Rechenverfahren in diesem Bereichen angesetzt werden können und ob das Sicherheitsniveau ausreichend ist. Weiterhin ist man sich in der internationalen Normung wie auch in der Forschung uneins, sowohl über die Art des Betontraganteils als auch über dessen Traganteil.
Es ist zu klären, welche Betontraganteile bei Erreichen der Traglast vorliegen und zu welchem Anteil diese mittragen. Hierzu werden sowohl großmaßstäbliche Versuche mit I-Trägern als auch numerische Berechnungen durchgeführt.
Ziel der Untersuchungen ist es einen Beitrag zum Verständnis des Querkraftabtrages zu leisten und im Bereich der Nachrechnung effizientere Verfahren aufzuzeigen.
Entwicklung neuartiger faserverstärkter Glasscheiben (GFG)
Beteilige
Dipl.-Ing. M. Thon
Prof. Dr.-Ing. G. Rombach
Kurzbeschreibung
In den zurückliegenden Jahrzenten hat sich der konstruktive Glasbau rasant entwickelt und ist ein fester Bestandteil der modernen Architektur geworden. Ob Glasdächer, Glasgeländer oder nur als Glasscheiben ist Glas aus der Baupraxis nicht mehr wegzudenken.
Der Baustoff Glas fasziniert durch seine Transparenz, die ihn sehr filigran wirken lässt, in Verbindung mit seinen mechanischen Materialeigenschaften, die eher weniger an einen filigranen Baustoff erinnern (Dichte: 2,5 t/m³; E-Modul: 70 GPa; theoretische Festigkeit: 10 GPa).
Die Anwendung von Glas als global lastabtragendes Bauteil ist aufgrund der relativ komplexen Abhängigkeiten der Beanspruchbarkeit, wie bspw. von der Größe des Glasbauteils sowie dem ausgeprägt elastischen Materialverhalten ohne plastischen Bereich, nur unter Einrechnung von sehr hohen Sicherheiten auf der Materialseite anwendbar. Für eine wirtschaftliche Konstruktion ist der Ansatz von Systemreserven, welcher in vielen Glastragwerken in Form von Redundanzen vorliegt, interessant. Diese bisher umgesetzten Projekte zeigen zudem eindrucksvoll die Leitungsfähigkeit des Baustoffes.
Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Faserverstärkung von Glasscheiben entsprechend eines Sandwichelements. Ziel der Untersuchungen ist die Entwicklung eines neuartigen Verbundwerkstoffes, der die Materialeigenschaften von Glas und Faser-Kunststoffen optimal vereint, sodass ein auf Zug und Druck hochbelastbares transparentes Bauteil mit einem ausgeprägten plastischen Bruchverhalten entsteht.
DFG Graduiertenkollegs
Das Institut für Massivbau beteiligte sich an den folgen Forschungsgruppen
Forschungsprojekte des Graduiertenkollegs Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen am Institut für Massivbau
| Forschungsprojekt | Beteiligte Personen |
|---|---|
| Zwangsbeanspruchung und Rissbildung in fugenlosen Kaianlagen | Prof. Dr. V. Sigrist |
| Kaikonstruktionen unter Betriebslasten | Prof. Dr. V. Sigrist Dipl.-Ing. J. Wasner |
Forschungsprojekte des Graduiertenkollegs Kunst und Technik am Institut für Massivbau
Forschungsprojekt
Tragwerke aus Hochleistungsbeton
Beteiligte Personen
Prof. Dr. V. Sigrist
Forschungsprojekt
Vorspanntechnik im Brückenbau - Geschichte und neue Entwicklungen
Beteiligte Personen
Prof. Dr. V. Sigrist
Forschungsprojekt
Aussteifungssysteme für Hochhaustragwerke. Geschichte und neue Entwicklungen
Beteiligte Personen
Prof. Dr. V. Sigrist
Dipl.-Ing. T. v. Borstel
Tragwerke aus Hochleistungsbeton
Bestandteil des Graduiertenkollegs "Kunst und Technik - Material und Form in künstlerischen und technischen Gestaltungsprozessen"
Beteiligte
Prof. Dr. V. Sigrist
Kurzbeschreibung
In den letzten Jahren sind Hochleistungsbetone entwickelt worden, deren Betondruckfestigkeiten weit über 200 MPa liegen und die im Vergleich zu Normalbeton eine deutlich verbesserte Dauerhaftigkeit aufweisen. Dabei hat eine höhere Zementfestigkeit einen eher geringen Einfluss auf die verbesserten Materialeigenschaften. Eine wesentliche Verbesserung wird primär durch die Veränderung der Zusammensetzung erreicht. Normalbetone bestehen aus einem so genannten 3-Komponenten-System (Wasser, Zement und Gesteinskörnung), Hochleistungsbetone hingegen werden aus einem 5-Komponeten-System hergestellt. Durch die Zugabe von Zusatzstoffen und Zusatzmitteln können die Betoneigenschaften wie Betondruckfestigkeit, Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit gezielt beeinflusst werden. Zudem kann die Biegezugfestigkeit durch die Zugabe spezieller Fasern bis zu Werten von 35 MPa gesteigert werden. In Deutschland werden solche Betone als ultrahochfeste Faserbetone (UHFB) bezeichnet, international ist hierfür die Bezeichnung Ultra High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) gebräuchlich. Ziel des Promotionsprojektes ist es, Grundlagen für die Konzeption, Konstruktion und Bemessung von Tragwerken aus Hochleistungsbeton zu erarbeiten. In einem ersten Schritt wird zunächst exemplarisch ein Dachträger aus UHPFRC untersucht. Die daraus gewonnen Erkenntnisse werden so aufbereitet, dass sich allgemeine Regeln ableiten lassen. Hierbei ist die Gestaltung und konstruktive Durchbildung der einzelnen Tragwerkskomponenten sowie der Krafteinleitungen und Verbindungen von besonderem Interesse. Ein zweiter Teil der Arbeit befasst sich mit der Frage der Materialgerechtigkeit. Dabei soll - anhand einer bau- bzw. technikgeschichtlichen Studie - untersucht werden, inwieweit die Eigenschaften der Baustoffe die bauliche Ausgestaltung und die Tragwerksform beeinflussen. Des weiteren werden die im Beton- und Stahlbau heute üblichen Bemessungskonzepte (und Normbestimmungen) hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für die Bemessung von Tragwerken aus Hochleistungsbeton überprüft. Die Arbeit wird im Rahmen des von der DFG geförderten Graduiertenkollegs "Kunst und Technik - Material und Form in künstlerischen und technischen Gestaltungsprozessen" erarbeitet.
Aussteifungssysteme für Hochhaustragwerke - Geschichte und neue Entwicklungen
Bestandteil des Graduiertenkollegs "Kunst und Technik - Material und Form in künstlerischen und technischen Gestaltungsprozessen"
Beteiligte
Univ.-Prof. Dr. V. Sigrist
Dipl.-Ing. T. von Borstel
Kurzbeschreibung
It must be tall, every inch of it tall. The force and power of altitude must be in it, the glory and pride of exaltation must be in it. (Louis H. Sullivan, 1896).
Der Wille, immer höher zu bauen, ist seit den Anfangen des Hochhausbaus ungebrochen. Gegenwärtig zeigt sich dies besonders eindrucksvoll am Bau des Burj Dubai, der nach seiner Fertigstellung im Jahr 2009 mit einer Höhe von ca. 700 m das höchste Gebäude der Welt sein wird. Aufgrund der Horizontalbeanspruchung durch Wind und Erdbeben spielen Aussteifungssysteme bei der Entwurfsfindung von Hochhäusern eine entscheidende Rolle. Die Weiterentwicklung dieser Aussteifungssysteme ist eng an deren überproportional steigende Beanspruchung geknüpft, die sich aus der wachsenden Gebaudehöhe ergibt.Neben dem Streben nach prestigeträchtiger Höhe ist heute im Hochhausbau eine Entwicklung zu beobachten, die insbesondere in Grossstädten auf Nachhaltigkeit setzt: Bei der Entwurfsfindung von Hochhäusern spielen neben dem Kriterium der Nutzungsflexibilität die Energieeffizienz, die Ökologie und die Nutzerfreundlichkeit des Gebäudes eine entscheidende Rolle. Mit dem Promotionsprojekt sollen zunächst bestehende nationale Berechnungsmethoden und Normen für Aussteifungssysteme untersucht und mit internationalen Normen verglichen werden. Darüber hinaus wird die Entwicklungsgeschichte des Hochhausbaus unter dem Aspekt der Wechselwirkung zwischen Entwurf und Aussteifungssystem im bau-und technikgeschichtlichen Kontext analysiert. Auf Grundlage der historischen Entwicklung werden weiterführend neue Tragsysteme und Möglichkeiten der Formgebung für Hochhäuser untersucht und diskutiert. Dabei sollen insbesondere Entwicklungsmöglichkeiten fur nachhaltige Hochhaustragwerke herausgearbeitet werden.
Vorspanntechnik im Brückenbau - Geschichte und neue Entwicklungen
Bestandteil des Graduiertenkollegs "Kunst und Technik - Material und Form in künstlerischen und technischen Gestaltungsprozessen"
Beteiligte
Prof. Dr. V. Sigrist
Kurzbeschreibung
Der Begriff Brückenbaukunst und das Entwerfen sowie bewusste Gestalten von Brücken durch Ingenieure wird wieder vermehrt thematisiert. Die Forderung nach ganzheitlich erarbeiteten Brückenentwürfen impliziert den Willen, eigenständige, materialgerechte und auch neue Bauformen zu entwickeln. Hierbei soll der Brückenentwurf vom Tragwerk her bzw. aus der Baustatik erarbeitet werden. Gestaltungsmittel wie z.B. Dekorationen bzw. Applikationen können ergänzend oder gezielt eingesetzt werden. Durch diese können neue materialgerechte Bauformen jedoch nicht entwickelt werden.
Mit dem Promotionsprojekt sollen neue Tragsysteme und Möglichkeiten der Formgebung und Gestaltung für Spannbetonbrücken untersucht werden. Grundlage hierfür ist die Entwicklungsgeschichte des Brückenbaus. Die Vorspanntechnik spielt hierbei eine zentrale Rolle; die einzelnen Entwicklungsschritte und deren Auswirkungen werden im bau- bzw. technikgeschichtlichen Kontext analysiert. Weiterführend soll das Potential externer Spannglieder - eine mögliche Anwendung der Vorspanntechnik - für die Formgebung und Gestaltung im Brückenbau diskutiert werden. Anhand von Untersuchungen zu unterspannten und überspannten massiven Trägern sowie zu Stahl- und Betonzuggliedern sollen die Entwicklungs- und Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt werden.
Die Arbeit wird im Rahmen des von der DFG geförderten Graduiertenkollegs "Kunst und Technik - Material und Form in künstlerischen und technischen Gestaltungsprozessen" erarbeitet.
