Maßstabsabhängiges Durchstanzverhalten von dicken Stahlbetonplatten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsvorhaben untersucht das maßstabsabhängige Durchstanzverhalten dicker Stahlbetonplatten mithilfe eines innovativen Versuchskonzepts. Es wird eingesetzt, um die bisherigen Grenzen für Großversuche zu überwinden. So werden durch die Nutzung des Symmetrieprinzips Abmessungen, Eigengewichte und Prüflasten der Probekörper entsprechend ihres Symmetriegrads reduziert. Durch die Verwendung dieser Methode kann unter Nutzung vorhandener Versuchsinfrastruktur und -technik einerseits die Prüfkapazität um 400 % gesteigert, andererseits der Materialaufwand für Proben gleicher Dicke um nahezu 75 % reduziert werden. Angewendet im Vorhaben ermöglicht es weltweit erstmalig Experimente an schubschlanken Platten bis 65 cm Stärke. Zentraler Punkt der aktuellen Förderperiode ist neben der Prüfung dicker Platten das Hochskalieren des Versuchskonzepts. Die größte Herausforderung liegt vor allem in der Planung, Dimensionierung und der Herstellung der massiven und zugleich hochpräzisen Widerlagerkonstruktion, die zur Aufnahme der Kräfte aus der Symmetrienutzung benötigt wird. Aufgrund diverser, teils gegenläufiger Anforderungen und Zwangsbedingungen wird abweichend zum ursprünglichen Entwurf, welcher eine Hybridkonstruktion aus Beton und Stahl vorsieht, ein direktes Abspannsystem gewählt, das die modularen Stahllager verformungsarm gegen den massiven Versuchshallenboden presst. Der komplexe und iterative Entwicklungsprozess wird konsequent an einem digitalen Zwilling durchgeführt. Wesentliche Eigenschaften des Konzepts werden für die Größenänderung an kosten- und aufwandsreduzierten Vorversuchen mit symmetrisch reduzierten Halbbalken untersucht. Die verwendeten Komponenten weisen analoge Merkmale zu den Plattenversuchen auf und lassen dadurch eine quantitative Bewertung zu. Einerseits zeigt sich, dass alle wichtigen Elemente der Anschlusskonstruktion, wie beispielsweise die Gleitebene oder ein mehrlagiger Bewehrungsanschluss, auch bei deutlich gesteigerten Größen ohne Einschränkungen geeignet sind. Andererseits weisen die Lagerelemente eine zu geringe Drehsteifigkeit auf, welche für die theoretisch ideale Nutzung der Symmetrie unendlich groß sein müsste. Die Auswirkungen der geringeren Steifigkeit werden vertieft sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Sie führen im statisch unbestimmten Plattenversuch zu Lastumlagerungen vom hochbeanspruchten Stützenbereich hin zum geringer belasteten Rand. Dieser unzulässigen Beeinflussung wird mit der Entwicklung und dem Einsatz einer Steifigkeitssteuerung bestehend aus Weichschichten unter der Frontplatte der Lagerelemente begegnet. Sie reduziert gezielt die Steifigkeit ausgewählter Elemente und wirkt so dem ungewollten Effekt der Umlagerung entgegen. Zum Abschluss des Projekts wird eine maßstäblich skalierte Versuchsreihe um drei Versuchen mit Plattendicken von 50 cm und 65 cm ergänzt. Die Versuchskörper werden zur Vermeidung von Eigenspannungen und aufgrund sehr hoher Eigengewichte (bis 9,1 t) direkt gegen den Versuchsstand betoniert. Eine flexibel einsetzbare Konstruktion aus gekoppelten Prüfzylindern mit einer maximalen Kapazität von 5,5 MN wird zur Lastaufbringung genutzt. Die Ergebnisse bestätigen erstens die sehr gute Funktionalität des Versuchskonzepts auch für große Plattendicken. Zweitens weisen sie auf einen weniger ausgeprägten Maßstabseffekt hin als durch die Theorie vorhergesagt. Die Analyse lässt den Schluss zu, dass die eingesetzte mehrlagige Bewehrung mit einem verringerten Risswachstum einhergeht und so eine erhöhte Lastübertragung ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Auf die Größe kommt es an. Galileo Galilei und die Frage nach dem Einfluss der (Bauteil-) Größe Wissenschaftsreportage zum Doktorandensymposium 2010, 51. Forschungungskolloqium des DAfStb, S. 125-136, Kaiserslautern, 11. & 12. November 2010
Winkler, K.
- Experimental symmetry bearings for punching shear tests on large reinforced concrete members. Proceedings of The 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 22 – 25 July 2012, Karlsruhe, Germany
Winkler, K.
- Experimentelle Umsetzung von Symmetrielagerungen. In: Beton und Stahlbetonbau 108 (1), Seite 47-57, Januar 2013
Winkler, K. und Mark, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/best.201200060) - Punching shear tests on symmetrically reduced slab quarters In: Structural Concrete 15(4), 2014, S. 484-496
Winkler, K.; Mark, P.; Heek, P.; Rohländer, S.; Sommer, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/suco.201400022) - Experimental investigation of large-scale concrete members using symmetry conditions. In: Zingoni (Ed.): Insights and Innovations in Structural Engineering, Mechanics and Computation, Taylor & Francis, London, 2016, S. 461 – 462. ISBN 978-1-138-02927-9
Bocklenberg, L.; Mark, P.; Ahrens, M.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9781315641645-214) - Low Friction Sliding Planes of Greased PTFE for High Contact Pressures In: Open Journal of Civil Engineering, 2016, 6, S. 105-116. (ISSN 2075-4442
Bocklenberg, L.; Winkler, K.; Mark, P.; Rybarz, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4236/ojce.2016.62010)) - Symmetriereduktionen in experimentellen Untersuchungen von Stahlbetonbauteilen (Dissertation), Lehrstuhl für Massivbau der Ruhr-Universität Bochum, August 2016
Winkler, K.
- Durchstanzexperimente an Plattenvierteln – Optimierung der Symmetrielagerung und Verifikation gegenüber Vollplatten In: Beton- und Stahlbetonbau 112(3), 2017, S. 167-177
Bocklenberg, L.; Winkler, K.; Mark, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/best.201600071) - Experiments on Symmetrically Reduced Reinforced Concrete Beams In: Experimental Techniques 41, 2017, S. 103-115
Winkler, K.; Mark, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40799-016-0161-2) - Punching Analyses of Symmetrically Reduced Concrete Slab Quarters In: D.A. Hordijk and M. Lukovic (eds.): Proc. of the 2017 fib Symposium. High Tech Concrete: Where Technology and Engineering Meet, Maastricht, Netherlands, June 12-14, 2017, S. 832-840
Bocklenberg, L; Ahrens, M. A.; Mark, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-59471-2_97) - Digitale Planung und geometrische Präzisionsfertigung für Durchstanzversuche In: Bautechnik 95(6), 2018, S. 432-438
Bocklenberg, L.; Winkler, K.; Mark, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/bate.201800028)
