Ermüdungsfestigkeit zyklisch beanspruchter Stahlbetonbauteile ohne Querkraftbewehrung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Obwohl die einzelnen Einflüsse des Querkraftabtrags nicht querkraftbewehrter Stahlbetonbauteile bekannt sind und verschiedene Bemessungsmodelle existieren, beruht die normative Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit von Stahlbetontragwerken unter Querkraftbeanspruchung auf empirischen Ansätzen. In DIN EN 1992-1-1 ist ein Ermüdungsversagen infolge Betonversagen bspw. durch Gl. 6.78 geregelt. Anhand statistischer Auswertungen zusammengetragener Versuchsdaten konnte gezeigt werden, dass dieser Bemessungsansatz, ebenso wie der des fib Model Code 2010, Defizite besitzt. Die statistische Betrachtung des vorhandenen Datenbestandes (160 Versuche) weist aus, dass ca. 20 % derjenigen Versuche durch das aktuelle Normenwerk (Eurocode 2) fehlerhaft bemessen werden, bei denen es zu einem Versagen der Betondruckzone gekommen war. Da viele Versuche innerhalb der zusammengetragenen Datenbank baupraktisch auf Grund ihrer Geometrie, ihrer Betongüte oder der Art der Lastaufbringung keine Relevanz besitzen, wurden für die eigenen Versuche Kriterien definiert, unter denen die Versuchskörper im üblichen Hochbau Verwendung finden könnten. Es wurden insgesamt 20 schubschlanke Versuchsbalken hergestellt. Zur Beurteilung der Bemessungsgleichung sowie des Querkraftabtrags, wurden vier Versuchskörper unter statischer Last bis zum Bruch getestet, um die maximalen Traglasten zu bestimmen. Diese werden im Bemessungskonzept gegen Betonermüdung nicht schubbewehrter Bauteile nach Eurocode 2 (EC2) mit den Ober- und Unterlasten in ein Verhältnis gesetzt. Die übrigen 16 Balken sind unter zyklischen Lasten geprüft worden. Die Versuche bestätigten die Gültigkeit der Bemessungsgleichung in EC2. Es ergab sich ein leicht erhöhtes Sicherheitsniveau, unter dem es bei keinem Versuch zu einem spröden Versagen gekommen war. Vielmehr waren die Balken nach Öffnung des Schrägrisses weiter tragfähig. Darüber hinaus zeigte sich, dass vorhandene statische wie zyklische Querkräfte hauptsächlich durch die Druckzone zu den Auflagern abgetragen werden. Ein Einfluss zyklischer Querkräfte auf die Neigung der Druckstrebe war nicht zu erkennen. Anhand der Messungen der Rissweite konnte der Vorschlag abgeleitet werden, diese als grobes Kriterium für das Öffnen eines Schubrisses zu verwenden. Um die Ergebnisse zu bestätigen, wurden stofflich und geometrisch nichtlineare FE-Berechnungen durchgeführt. Diese erfolgten mit dem Programm ABAQUS unter Verwendung des Materialmodells „concrete damaged plasticity“. Innerhalb der FE-Analysen wurden die vier Versuche unter statischer Last und ein Versuch unter zyklischer Last simuliert. Grundlage der FE-Berechnung des zyklischen Versuches bildet das Ermüdungsschädigungsmodell nach PFANNER. Dessen korrekte Umsetzung konnte an einer Parameterstudie nachgewiesen werden. Die numerischen Simulationen ließen sich durch die Versuchsergebnisse verifizieren. Die Last-Verformungskurven der Versuche konnten numerisch abgebildet werden, der Verlauf der plastischen Dehnungen (Risse) war zufriedenstellend. Die dominierende Tragwirkung der Druckzone bestätigte sich rechnerisch. Das verwendete Ermüdungsschädigungsmodell kann somit zur Bestimmung des Ermüdungsversagens nach n Zyklen verwendet werden. Für weitere Studien ist eine Optimierung der sehr zeitaufwändigen FE-Berechnungen erforderlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2013). ”Shear Design of RC Bridge Deck Slabs according to Eurocode 2.” J. Bridge Eng. 18, Special Sect.: Eurocodes and Their Implications for Bridge Design: Background, Implementation, and Comparison to North American Practice, 1261–1269
Rombach, G., Kohl, M.
- (2014). “Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung unter Ermüdungsbeanspruchungen.” Dissertation TU Hamburg-Harburg
Kohl, M.
