Numerische Untersuchungen zum Verhalten von Stahlbetonrahmentragwerken unter seismischer Beanspruchung
Final Report Abstract
Die realitätsgetreue Abbildung des Verhaltens von Stahlbetontragwerken im Rahmen der numerischen Simulation stellt bis zum heutigen Tag eine Herausforderung für die Forschung dar. Bei Beurteilung der Sicherheit und bei der Bemessung von Tragwerken steht die Vorhersage der Tragfähigkeit und darüber hinaus die Kenntnis der Gefahr eines plötzlichen Versagens einzelner Tragelemente bzw. der gesamten Struktur im Vordergrund. Untersuchungen an Stahlbetonkonstruktionen mittels Finite Elemente Methode (FEM) sind heutzutage relativ weit verbreitet und ermöglichen die numerische Simulation des nichtlinearen Trag- und Verformungsverhaltens von Stahlbetonbauteilen. Hierbei spielen die implementierten Materialgesetze eine entscheidende Rolle. Um Vorhersagen über Steifigkeit, Tragfähigkeit und auch Verformungsfähigkeit treffen zu können, ist eine realitätsnahe Beschreibung des Verhaltens der Materialien Beton und Stahl sowie deren Zusammenwirken notwendig. Hauptaugenmerk des durchgeführten Forschungsvorhaben galt der Anwendung idealisierter Werkstoffmodelle in Kombination mit vereinfachten Materialgesetzen zur wirklichkeitsgetreuen numerischen Simulationen des Verhaltens von Stahlbetonbauteilen unter zyklischer bzw. erdbebenähnlicher Beanspruchung. Hierbei wurde unter Verwendung FE Programmsystems MASA einerseits mittels Modellierung von definierten Bauteilbereichen (also von einzelnen Rahmenknoten) das im FE Code vorhandene Modell zur Beschreibung der Interaktion von Beton und Bewehrungsstahl kalibriert und validiert und andererseits das lokale Bauteilverhalten und die gesamte Tragkonstruktion bezüglich Schädigungsverteilung und Verformungsverhalten untersucht. Dadurch konnte primär gezeigt werden, dass durch Anwendung dieser vereinfachten Berechnungswerkzeuge das Verhalten eines realen Tragwerks mittels numerischer Simulation verschiedenartig beanspruchter Tragwerksteile sowie bestimmter Bauteilbereiche mit vertretbarem Aufwand sehr wirklichkeitsgetreu abgebildet werden kann. Des Weiteren wurde im Rahmen von numerischen Parameterstudien der Einfluss des Verbundverhaltens auf das lokale Verformungsverhalten zyklisch beanspruchter Stahlbetonkonstruktionen untersucht. Es konnte im Wesentlichen gezeigt werden dass die Verbundeigenschaften von Bewehrungsstählen je nach Bauteil- und Beanspruchungsart mehr oder weniger stark sowohl die örtliche als auch die zeitliche Rissbildung in zyklisch beanspruchten Bauteilen beeinflussen und damit das Gesamtverformungsverhalten wesentlich mitbestimmen. Auf Grund dessen ist eine wirklichkeitsnahe Idealisierung des Verbundverhaltens analog zur realistischen Modellierung des Materialverhaltens der Verbundkomponenten Beton und Bewehrung in vielen Anwendungsfällen von großer Bedeutung, um das Trag- und Verformungsverhalten im Gebrauchs- als auch im Bruchzustand von Stahlbetontragwerken realistisch zu simulieren. Daher ist es auch bei der numerischen Simulation von zyklisch beanspruchten Stahlbetonbauteilen von großer Bedeutung, die sehr komplexe Verbundwirkung zwischen Bewehrung und Beton anhand geeigneter Verbundmodelle zu erfassen, um somit mittels gezielten FE Studien einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung des Verhaltens von Stahlbetonbauteilen zu leisten. Insgesamt steht mit dem in der Dissertation des Verfassers entwickelten und im Rahmen dieses Forschungsprojektes auf zyklische Beanspruchung angepasstem diskreten Verbundelement, ein wichtiges Instrument für Studien zum Trag- und Verformungsverhalten von Stahlbeton zur Verfügung und eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten bei sämtlichen Problemstellungen in welchen die Verbundwirkung eine maßgebende Rolle spielt. Als Beispiele hierfür seien die Bestimmung der erforderlichen Duktilitätseigenschaften der Bewehrung für bestimmte Anwendungsfälle bzw. allgemein die Untersuchung des plastischen Verformungs- und Rotationsvermögens von komplexen sowohl monoton als auch zyklisch beanspruchten Bauteilen bzw. Tragwerken genannt. Die Berechnungsergebnisse könnten prinzipiell verwendet werden, um ein Beurteilungskonzept für zyklisch (erdbebenähnlich) beanspruchte Stahlbetontragwerke abzuleiten. Hierfür ist es jedoch erforderlich die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführten Parameterstudien zu erweitern. Als Parameter sollten der Einfluss von Belastungsart bzw. –geschichte, weitere Variationen der Materialeigenschaften des Betons sowie der vorhandenen Stützendruckkraft in Kombination mit verschiedenen Verbundeigenschaften untersucht werden.
