Lehrstuhl Betonbau

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Zum Zugstoß der Bewehrung bei Bauwerken der Verkehrsinfrastruktur mit großer Betondeckung
(2023) Bettin, Matthias; Maurer, Reinhard; Rombach, Günter
Die nach dem derzeit für Ingenieurbauwerke der Verkehrsinfrastruktur in Deutschland gültigen Regelwerk DIN EN 1992-2 und DIN EN 1992-2/NA bemessenen erforderlichen Übergreifungslängen für Betonstahl sind im internationalen Vergleich, vor allem bei kleinen lichten Abständen zwischen den gestoßenen Stäben und großen Stabdurchmessern (Ø ≥ 16mm), mit Abstand am größten. Dies gilt für die unmittelbar benachbarten Länder wie Dänemark, die Niederlande, die Schweiz aber auch beispielsweise die USA. Schäden, die auf die teilweise deutlich geringeren Übergreifungslängen in diesen Ländern zurückzuführen sind, sind nicht bekannt. Die deutschen Regelungen in DIN EN 1992-2/NA sollen nicht nur die Tragfähigkeit, sondern auch die Gebrauchstauglichkeit abdecken. Dabei gehen die deutschen Festlegungen bezüglich der Betondeckung auf der sicheren Seite liegend konservativ von c = 1,0 Ø aus. Der günstige Einfluss einer größeren Betondeckung darf nach Eurocode 2 mit dem Faktor α2 berücksichtigt werden. Dieser Faktor ist nach dem deutschen Nationalen Anhang allerdings generell mit α2 = 1,0 anzusetzen, während er nach Eurocode 2 Werte bis 0,7 annehmen kann. Ein weiterer wesentlicher Unterschied ergibt sich in Abhängigkeit von Stoßanteil und Stabdurchmesser aus dem Stoßfaktor α6 bei kleinen lichten Abständen (a < 8 Ø) zwischen den gestoßenen Stäben. Daher stellt sich die Frage nach einer Überprüfung der im internationalen Vergleich sehr konservativen deutschen Regelungen bei Ingenieurbauwerken mit üblicherweise deutlich größeren Betondeckungen als c = 1,0 Ø, da sich alleine bei Anwendung des Faktors α2 um bis zu 30% kürzere Übergreifungslängen ergeben können. Daraus können unter Umständen ausführungstechnisch und konstruktiv günstigere Bewehrungsanordnungen und teilweise deutliche Kostenreduzierungen infolge des geringeren Materialbedarfs resultieren was sich nicht zuletzt auch hinsichtlich der Ressourceneffizienz vorteilhaft auswirkt. Anhand umfänglicher großformatiger Versuche werden in der Arbeit die derzeit gültigen deutschen konservativen Regelungen sowie die Regelungen im Eurocode 2 analysiert.
Ermüdungs- und Verbundverhalten von Litzenspanngliedern unter dynamischer Belastung im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich
(2022) Heinrich, Jens; Maurer, Reinhard; Zilch, Konrad
Die Ermüdungsfestigkeit von Spannbetonbauteilen wird auf der Einwirkungs- und Widerstandsseite durch eine Vielzahl an Faktoren beeinflusst. Die Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit kann nur experimentell erfolgen. Daher werden in der vorliegenden Arbeit Versuche zum Ermüdungs- und Verbundverhalten von Spannbetonbauteile mit Spanngliedern im nachträglichen Verbund durchgeführt. Durch die Anordnung mehrerer Spannstahllitzen und die gekrümmte Spanngliedführung entstehen in den Kontaktbereichen zwischen den einzelnen Litzen und zwischen Spannglied und Hüllrohr zusätzliche Umlenkpressungen in Verbindung mit Scheuerbewegungen, die sich ungünstig auf das Ermüdungsverhalten auswirken. Des Weiteren wird das Ermüdungsverhalten von Versuchsträgern untersucht, bei denen eine gemischte Bewehrung aus Beton- und Spannstahl angeordnet wurde. Hier zeigt sich u. A., dass das Bewehrungsverhältnis zwischen Betonstahl- und Spannstahlfläche (As/Ap) sowie die unterschiedlichen Verbundsteifigkeiten der Bewehrung die Verteilung der Spannungen und damit auch das Ermüdungsverhalten des Bauteils stark beeinflussen kann. Mit der Durchführung eigener Ermüdungsversuche können neue Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten von Spanngliedern im nachträglichen Verbund gewonnen werden. Da insbesondere im Bereich sehr großer Schwingspielzahlen bzw. geringer Spannungsschwingbreiten die Anzahl bereits durchgeführter Versuche stark begrenzt ist, werden die eigenen Versuche mit entsprechend kleinen Spannungsschwingbreiten durchgeführt. Ein wesentliches Ziel ist der Nachweis einer „echten“ Dauerschwingfestigkeit und die Verifizierung des Verlaufs der aktuell genormten Ermüdungsfestigkeitskurve. Zudem werden weitere Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit in Spannbetonbauteilen aufgedeckt und anschließend systematisch untersucht. Neben potenziellen Neuvorschlägen zur Bemessung von ermüdungsbeanspruchten Bauwerken, die auf die eigenen Versuchsergebnisse zurückzuführen sind, erfolgte auch eine Übertragung der Versuchsergebnisse auf tatsächlich ausgeführte Bauwerke. Welche Erkenntnisse aus den Ermüdungsversuchen, die unter Laborbedingungen durchgeführt wurden, können auch auf tatsächliche Brückenbauwerke übertragen werden?
Das Erweiterte Druckbogenmodell zur Beschreibung des Betontraganteils bei Querkraft
(2020) Gleich, Philipp; Maurer, Reinhard; Hegger, Josef
Im Zuge der Nachrechnung bestehender, älterer Spannbetonbrücken nach heute gültiger Norm erweist sich häufig die vorhandene Querkraftbewehrung in Brückenlängsrichtung als stark unterdimensioniert. Dies resultiert teilweise aus dem stetig ansteigenden Schwerlastverkehr, vor allem jedoch aus den im Laufe der letzten Jahrzehnte häufig und mitunter grundlegend modifizierten Querkraftnachweise. Infolge dieser Modifikationen änderten sich auch die konstruktiven Anforderungen an die Querkraftbewehrung. Zudem wurde in Deutschland erst im Jahr 1966 eine verbindliche Mindestquerkraftbewehrung normativ festgelegt. Letztlich ergeben sich aus diesen Modifikationen auf der Einwirkungs- und Widerstandsseite in vielen Fällen (mathematische) Querkrafttragfähigkeitsdefizite, sodass aktuell eine Vielzahl an Betonbrücken querkraftverstärkt oder sogar durch Ersatzneubauten ersetzt werden. Genauere Nachweisverfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Querkrafttragfähigkeit sind daher für die Nachrechnung bestehender Spannbetonbrücken von großer Bedeutung. Das den aktuellen Normen zugrundeliegende parallelgurtige Fachwerkmodell mit Rissreibung wurde im Wesentlichen an Querkraftversuchen an einfeldrigen Stahlbetonträgern kalibriert. Derartige Versuche sind in der einschlägigen Literatur umfangreich dokumentiert und liegen in großer Zahl vor. Aufgrund der i.d.R. gegebenen Kleinmaßstäblichkeit und statischen Einfeldträgersystemen blieb das spezifische Tragverhalten durchlaufender Spannbetonbalken bisher jedoch weitgehend unberücksichtigt. Es ist daher zu vermuten, dass das empirisch hergeleitete idealisierte Fachwerkmodell das spezifische Querkrafttragverhalten derartiger Tragsysteme nicht realitätsnah abbilden kann. Das Tragverhalten repräsentativer Spannbetonträger mit Durchlaufwirkung, also Durchlaufträger bzw. Einfeldträger mit ballastiertem Kragarm, wurde bislang jedoch nur im Rahmen weniger Versuche experimentell untersucht und brauchbar dokumentiert. Zur experimentellen Untersuchung des Querkrafttragverhaltens zweifeldriger Spannbetonträger wurden daher an der TU Dortmund umfangreiche Großversuche durchgeführt, wobei der Fokus auf der Variation des Querkraftbewehrungsgrades und der Belastungsart lag. Diese Versuche und die mithilfe umfangreicher Messtechnik bestimmten Ergebnisse werden umfassend dokumentiert und ausgewertet. Die Druckbogenwirkung in den Spannbetonbalken kann dabei auch messtechnisch erfasst und belegt werden. Mithilfe des FE-Programmsystems ABAQUS werden die durchgeführten Großversuche numerisch nichtlinear simuliert und analysiert. Dazu werden zunächst das phänomenologischen Werkstoffverhaltens von Beton, Betonstahl und Spannstahl sowie die Grundalgen der numerischen Umsetzung des jeweiligen Werkstoff- und Verbundverhaltens beschrieben. Im Rahmen der anschließenden numerischen Simulationen wird untersucht, wie sich der Verlauf der inneren Kräfte lastabhängig einstellt. Im Fokus der Auswertungen steht dabei die Untersuchung der Druckbogenwirkung hinsichtlich der Beteiligung am Querkraftlastabtrag. Aufbauend auf den numerischen Simulationen der durchgeführten Großversuche werden weitergehende numerische Parameterstudien durchgeführt. In diesen Studien werden modellierungs-, geometrie- und systemabhängige Einflussgrößen untersucht, welche im Rahmen der experimentellen Untersuchungen nicht variiert und erforscht werden konnten. Es werden zwei analytische Rechenmodelle zur Ermittlung eines zusätzlichen Querkrafttraganteils infolge Druckbogenwirkung bei der Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit vorgespannter Balken vorgestellt: das Druckbogenmodell (DBM) nach Maurer und Kiziltan sowie das Erweiterte Druckbogenmodell (EDBM). Bei dem DBM wird dem Fachwerkmodell mit Rissreibung die Tragwirkung eines vereinfacht bestimmten Betondruckbogens überlagert. Der Druckbogenverlauf bestimmt sich aus der Lage der horizontalen Biegedruckkraft in diskreten vertikalen Schnitten unter Berücksichtigung des Biegemomentes und der Vorspannwirkung. Es wird gezeigt, dass das DBM mit ausreichender Genauigkeit zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit vorgespannter Balken im ungerissenen Zustand I oder bei ausschließlicher Biegerissbildung herangezogen werden kann. Das EDBM hingegen dient der Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit vorgespannter Balken bei Schrägrissbildung im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Auf Basis dieses Modells lassen sich die experimentell bestimmten Systemtraglasten in sehr guter Näherung erklären und bestimmen. Das EDBM beruht methodisch teilweise auf dem Vorgehen bei Anwendung des DBM. Zusätzlich zur horizontalen Biegedruckkraft wird jedoch auch die horizontale Komponente der geneigten Druckstrebenkräfte aus der Fachwerkwirkung im Steg infolge Querkraft bei der Bestimmung des Druckbogenverlaufes in Ansatz gebracht. Beide Ingenieurmodelle, das DBM und das EDBM, sind insbesondere für die wirklichkeitsnahe Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit von Balkenstegen bestehender Betonbrücken entwickelt worden. Bei der Bemessung neuer Brückenbauwerke sollte hingegen weiterhin Wert auf robuste Konstruktionen durch eine querschnittsbezogene Bemessung gelegt werden. Auf Basis der experimentellen, numerischen und analytischen Untersuchungen wird gezeigt, dass sich bei vorgespannten Balken eine deutliche Druckbogenwirkung einstellen kann. Der Druckbogen ist dabei die Stützlinie für die gegebene Belastung. Die Form der Stützlinie unter Einzelbelastung kann näherungsweise durch ein Sprengwerk idealisiert werden; die unter Streckenbelastung entspricht näherungsweise der eines Bogens. Insgesamt zeigen die Versuchsnachrechnungen, dass zur wirklichkeitsnahen Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit der untersuchten Versuchsträger der Ansatz eines Betontraganteils infolge Druckbogenwirkung geeignet ist.
Untersuchungen zur Modellierung und numerischen Simulation des Querkrafttragverhaltens von Stahlbetonbalken
(2017) Kattenstedt, Simone; Maurer, Reinhard; Häußler-Combe, Ulrich
Zum schubfesten Anschluss von Druckgurten in Hohlkastenbrücken
(2016) Müller, Matthias; Maurer, Reinhard; Zilch, Konrad
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zum Tragverhalten der Gurte gegliederter Querschnitte auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Die bei aktuellen Nachrechnungen bestehender Spannbetonbrücken häufig festzustellenden rechnerischen Defizite, welche insbesondere in den Druckgurtbereichen der Bodenplatten von Brücken mit Hohlkastenquerschnitt ermittelt werden, haben den Ausschlag zu dieser Arbeit gegeben. Mit der Weiterentwicklung der technischen Regelwerke zur Konstruktion und Bemessung von Spannbetonbrücken war auch eine Umstellung der Nachweiskonzepte zur Ermittlung der Schubtragfähigkeit verbunden. Bis zur Einführung der DIN Fachberichte für den Brückenbau war der Nachweis auf Basis zulässiger Hauptspannungen in Deutschland eine anerkannte Regel der Technik. Seither erfolgt die Ermittlung des Bauteilwiderstands auf Grundlage eines Fachwerkmodells im gerissenen Zustand II. Die für Stegquerschnitte konzipierten Bemessungsregeln werden dabei sinngemäß auf die Gurtbereiche gegliederter Querschnitte übertragen. Eine entscheidende Größe für die Ermittlung der Tragfähigkeit der schubfesten Verbindung zwischen Gurt- und Stegquerschnitt ist die möglichst wirklichkeitsnahe Berücksichtigung der wahrscheinlichen Rissentwicklung. Im derzeit in Deutschland bei der Bemessung zur Anwendung kommenden Fachwerkmodell mit Rissreibung wird der Schubrisswinkel auf Grundlage der vorhandenen Längsspannung bestimmt. Die zur Rissbildung führende Schubspannung korrespondiert bei dieser Vorgehensweise nicht mit der Längsspannung. Durch die zunächst analytische Untersuchung der Unterschiede im Tragverhalten zwischen Steg- und Gurtquerschnitt wird gezeigt, dass das zu erwartende Rissverhalten in den beiden Querschnittsteilen deutlich voneinander abweicht, und dass für eine wirklichkeitsnahe Prognose der Rissrichtung innerhalb von Druckgurten die Berücksichtigung der vorhandenen Längs- und Schubspannungen als korrespondierende Größen erforderlich ist. In den im weiteren Verlauf der Studien durchgeführten numerischen Simulationsrechnungen wird dieser Zusammenhang bestätigt und es werden weitere das Tragverhalten und den Tragwiderstand beeinflussende Größen identifiziert und untersucht. Die Kalibrierung und Verifizierung der verwendeten FE-Modelle erfolgt zunächst durch die Nachrechnung gut dokumentierter Versuche und die Auswertung der Simulationsergebnisse an kleinmaßstäblichen Versuchskörpern. Während letztgenannte insbesondere zur Erlangung eines besseren Verständnisses zum Modellverhalten relevant sind, wird durch die Nachrechnung von Versuchen zum Tragverhalten gegliederter Querschnitte die Modelleignung im Hinblick auf die Abbildung der untersuchten Tragwirkung überprüft. Neben einem elasto-plastischen Kontinuumsmodell wird für die Modellierung der Betonquerschnitte ein Schalenmodell auf Basis der nichtlinearen Elastizitätstheorie verwendet. Mit beiden Modellen gelingt es, die Bruchlasten und die Versagensart wirklichkeitsnah abzubilden. Aufgrund der im Vergleich zu den Versuchen insgesamt besseren Übereinstimmungen der mit der nichtlinearen Elastizitätstheorie erzielten Ergebnisse erfolgt die Anwendung dieses Modells auf Systeme mit für den Brückenbau relevanten Abmessungen. Die im Vergleich zu den Versuchsträgern deutlich schlankeren Querschnitte führen dazu, dass die durch lokale Lasteinleitungen bedingten Störbereiche im Verhältnis zur Gesamtspannweite deutlich reduziert werden. Daher können die Auswirkungen des sich über die Bauteillänge stetig ändernden Längsspannungszustands auf das Tragverhalten an diesen Systemen untersucht werden. Auf Basis der Ergebnisse der durchgeführten analytischen und numerischen Studien werden Bemessungsmodelle abgeleitet, die das tatsächliche Tragverhalten realitätsnäher erfassen. Neben Modellen, die eine Bemessung im gerissenen Zustand II ermöglichen und das wahrscheinliche Rissverhalten in vereinfachter Form berücksichtigen, werden auch Berechnungsvorschläge unter Einbeziehung kombinierter Scheiben- und Plattenbeanspruchungen (Interaktion von Längsschub mit Querbiegung) sowie Möglichkeiten zur rechnerischen Berücksichtigung des Tragwiderstands ungerissener Gurtbereiche (Hauptspannungskriterium) vorgestellt.
Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Betonstahl und Spannstahl im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich mit sehr hohen Lastwechselzahlen
(TU Dortmund, Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen, 2016) Heeke, Guido; Maurer, Reinhard; Zilch, Konrad; Block, Klaus
Die Arbeit befasst sich mit zyklischen Einwirkungen auf Bauteile und Tragwerke, wodurch es zu einem Versagen infolge Materialermüdung auch deutlich unterhalb der statischen Materialfestigkeit kommen kann. Die damit im Zusammenhang stehenden Fragestellungen sind derzeit von großer Aktualität, da z.B. bestehende ältere Stahlbeton- und Spannbetonbrücken für extrem große Lastwechselzahlen beurteilt bzw. ausgelegt werden müssen. Brücken können beispielsweise während einer Nutzungsdauer von 100 Jahren durch den Verkehr bis zu 10^8 Lastwechsel infolge einer solchen zyklischen Belastung erfahren Oftmals können allerdings die Erkenntnisse aus Materialversuchen nicht auf die Gesamtsysteme unserer Bauwerke übertragen werden, da hier zahlreiche Einflussfaktoren aufeinander treffen. Aussagekräftige Ermüdungsversuche sind zudem sehr zeit- und kostenintensiv, wodurch oftmals detaillierte Erkenntnisse aus Großversuchen im Bereich kleiner Schwingbreiten fehlen. Zuerst erfolgt eine umfangreiche Literaturrecherche gut dokumentierter älterer Ermüdungsversuche mit Beton- und Spannstahl. Diese recherchierten Versuchsergebnisse zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeit der historischer Stähle mit den charakteristischen Ermüdungsfestigkeitskurven nach aktuell gültiger Norm für den Betonbau DIN EN 1992-1-1/NA bzw. DIN EN 1992-2/NA zutreffend abgebildet werden. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden sehr umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Materialermüdung von Betonstahl und Spannstahl, sowohl freischwingend als auch im einbetonierten Zustand, unter sehr hohen Lastwechselzahlen. Dabei wird erstmals der Bereich bis zu 10^8 Lastwechseln für den einbetonierten Spannstahl im Stahlhüllrohr experimentell durch Großversuche erforscht. Bei diesen Versuchen wird sowohl einen alter Spannstahl, der aus einem Abbruchbauwerk einer Brücke aus den 1950er Jahren gewonnen wurde, als auch einen gleichartiger Spannstahl aus einer heutigen Produktion untersucht. Die Ergebnisse dieser Großversuche zeigen im Gegensatz zu den freischwingend getesteten Versuchen, dass selbst unter der geringsten einwirkenden Schwingbreite von Δσ=60MPa noch kein eindeutiges Abknicken zu einer Dauerschwingfestigkeit erkennbar ist. Drahtbrüche treten hier auch unter kleinen Schwingbreiten unterhalb von Δσ=100MPa noch vor Erreichen der charakteristischen Ermüdungsfestigkeitskurve nach DIN EN 1992-1-1/NA bzw. DIN EN 1992-2/NA auf. Daher erfolgt der Vorschlag, den zweiten Steigungsast der charakteristischen Ermüdungsfestigkeitskurve steiler zu wählen. Weiter wird auf Basis der gewonnenen Versuchsdaten mit mathematisch statistischen Methoden ein Prognoseverfahren zur Abschätzung der Lebensdauer der vorgespannten Versuchsbalken für beliebige Spannungsschwingbreiten entwickelt.
Maste und Türme aus hochfestem Beton
(Eigenverl. der TU Dortmund, Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen, 2015) Harling, Andreas; Maurer, Reinhard; Schnell, Jürgen
In der Arbeit wird eine neue Methode zur wirklichkeitsnahen Steuerung von Rissen in Masten und Türmen aus Beton angeboten. Diese vertikal verlaufenden Risse entstehen praktisch in allen turmartigen Tragwerken mit geschlossenen Querschnitten. Sie werden durch die geometrische Verhinderung von virtuellen Rotationen aus Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten erzwungen. Turmartige Bauwerke prägen die heutige Landschaft durch zahlreiche Freileitungsmaste, Mobilfunkmaste, Windenergieanlagen, Schornsteine und repräsentative Fernmeldetürme. Aufgrund der vielfältigen Ausführungen und der großen Anzahl der Standorte ist die Bauart im Ingenieurbau als die zweitwichtigste nach den Brücken anzusehen. Die Motivation zu dieser Arbeit hat sich aus der langjährigen Beschäftigung des Autors als Tragwerksplaner und Gutachter mit turmartigen Bauwerken ergeben. Bei den Aufgaben geht es häufig um die Einstufung der Risse hinsichtlich ihrer Ursache und der Konsequenzen für die Tragfähigkeit des Turmes. Eine ungenügende Ringbewehrung kann zu extremen vertikalen Trennrissen führen, die dann aufgrund fehlenden Schubwiderstands die Windtragfähigkeit des Schaftes mindern. Diese Gefahr wird in der zurzeit gültigen Normung nicht immer erkannt. Das Defizit ist in der ungenügenden Erfassung der Einwirkungen, mangelhaften Bemessungsmethoden und falschen Regelungen zur Mindestbewehrung erkennbar. Der Zwang in Ringrichtung der Mast- und Turmschäfte wird durch Dehnungsdifferenzen über die Wanddicke aktiviert, die durch die Einwirkungen - Feuchtigkeits- oder Temperaturdifferenz - zustande kommen. Die durch Verhinderung der Verdrehung aktivierten Rückstellmomente bewirken Zugspannungen an der kälteren und trockeneren Wandseite. Hinsichtlich der Größe der Einwirkung wird in der Arbeit erstmals zwischen den maximalen und den permanenten Werten unterschieden. Die Maximallast als singuläres Ereignis bestimmt die Anzahl der sich bildenden Vertikalrisse. Für das Rissmoment ist die Stahlspannung der Horizontalbewehrung nachzuweisen. Für die wesentlich geringere permanente Last ist die Rissbreite zu beschränken, von der die Dichtigkeit hinsichtlich des Wassereindrangs und die Stahlkorrosion abhängen. Für die wirklichkeitsnahe Erfassung des Verhaltens der Maste und Türme ist ein Programm auf Basis der Kontinuierlichen-Verformungs-Theorie (KVT) erstellt worden. Hiermit kann die Momenten-Krümmungs-Beziehung für beliebige Ringquerschnitte berechnet werden. Der Bereich der Rissbildung wird hierbei nicht wie üblich als horizontal verlaufend angesetzt sondern als sägezahnförmig mit schlagartigen Entlastungen nach jeder Rissbildung. Die Anzahl der Risse definiert dabei die für den gerissenen Querschnitt maßgebliche Wiederbelastungskurve, die eine Abnahme der Sekantensteifigkeit bei steigender Belastung ergibt. Wie unterschiedlich der Verlauf der Momenten-Krümmungs-Beziehung für verschiedene Bauwerkstypen ist, wird anhand des Vergleichs von großen Türmen (z. B. Industrieschornsteine oder Fernsehtürme) mit Masten (z. B. Funkmaste oder Freileitungsmaste) erläutert. Die Schäfte von Türmen und Masten unterscheiden sich in allen Kriterien: Ringdurchmesser, Wanddicke, Stabdurchmesser, Betondeckung und Betonfestigkeit. Dieses äußert sich im stark unterschiedlichen Rissverhalten: An den für den konventionellen Betonbau stehenden Türmen bilden sich viele Risse, wobei die übliche Rissbreiten von 0,3 mm als unkritisch anzusehen ist. Bei den kleineren Masten aus hochfestem Beton hingegen kann schon der einzelne Riss mit geringer Breite von 0,1 mm das Fließen oder sogar Reißen der Bewehrung ohne Vorankündigung bedeuten. Die Ursache des besonderen Verhaltens der Maste ist das Zusammenwirken des hochfesten Betons mit den sehr dünnen Bewehrungsstäben. Die entwickelte Rechenmethode wurde abschließend durch ihre Anwendung bei einigen praktischen bemessungs- und schadensorientierten Aufgaben erläutert sowie mit einigen gängigen Rissnachweisverfahren verglichen und zur Bewertung der bestehenden Normenregelungen herangezogen.
Untersuchungen zum Kippen schlanker Stahlbeton- und Spannbetonträger beliebiger Geometrie mit der nichtlinearen FEM
(Eigenverl. der TU Dortmund, Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen, 2015) Kolodziejczyk, Agnieszka; Maurer, Reinhard; Rombach, Günter Axel
Die vorliegende Arbeit behandelt den Nachweis der Kippsicherheit von schlanken, scheibenartigen Stahlbeton- und Spannbetonträgern beliebig komplexer Geometrie mittels nichtlinearer Finite-Elemente Berechnungen. Die Motivation für die Arbeit resultierte aus einer konkreten Fragestellung aus der Praxis. In der Entwurfsphase für die Lärmschutzeinhausung im Zuge der BAB A1 im Bereich Köln-Lövenich waren weitgespannte, sehr schlanke, freigeformte Bindergeometrien hinsichtlich der Kippsicherheit zu beurteilen. Bedingt durch die bogenförmigen Sondergeometrien konnten die Nachweise gegen Kippen nicht mit einem der zahlreichen in der einschlägigen Fachliteratur vorliegenden Näherungsverfahren für Parallelgurt- oder Satteldachbinder geführt werden. Deshalb wurden bei der Lärmschutzeinhausung für die Nachweise der Kippsicherheit Simulationsberechnungen auf Grundlage der nichtlinearen FEM herangezogen. Bei Anwendung der nichtlinearen FEM erfolgt der Nachweis gegen Kippen nach Theorie II. Ordnung am verformten System unter Berücksichtigung des ausgeprägt nichtlinearen Materialverhaltens des Stahlbetons (Rissbildung, Plastizierung). Die wesentliche Voraussetzung für nichtlineare Berechnungen ist ein geeignetes Rechenmodell. Hierbei kommt insbesondere der realitätsnahen Modellierung des nichtlinearen Werkstoffverhaltens eine zentrale Bedeutung zu. Gegenüber reinen Biegeproblemen ist bei Untersuchungen der Tragfähigkeit kippgefährdeter Stahlbeton- und Spannbetonbauteile zusätzlich die Abbildung der Torsionssteifigkeit von entscheidender Bedeutung. Die in Softwareprogrammen üblicherweise implementierten Materialmodelle enthalten oft Vereinfachungen und Annahmen, deren Auswirkungen auf die Ergebnisse nichtlinearer Simulationsberechnungen häufig nicht ohne weitergehende Untersuchungen hinreichend bewertet werden können. In dieser Arbeit werden die nichtlinearen Schalenelemente des Programmsystems SOFiSTiK auf Grundlage der Layertechnik hinsichtlich der maßgeblichen Werkstoffeigenschaften des Stahlbetons und der Versagensart Kippen durch Nachrechnungen von kleinteiligen Probekörpern und Großversuchen sowie Untersuchungen an elementaren Beispielen verifiziert. Dabei werden die Möglichkeiten und Grenzen der Modellierung mit diesen Elementen aufgezeigt. Bei Nachweisen der Kippstabilität nach Theorie II. Ordnung werden die rechnerischen Traglasten durch den Ansatz geometrischer Ersatzimperfektionen maßgeblich beeinflusst. Um die diesbezüglichen aktuellen Normenempfehlungen zu bewerten, wurden im Rahmen der Arbeit Messungen von herstellungs- und einbaubedingten Imperfektionen in mehreren Fertigteilwerken und im eingebauten Zustand der Bauteile durchgeführt und statistisch ausgewertet. Die Geometrien wurden dabei teilweise mittels Laser Scanning aufgemessen und in äquivalente Vorverformungen entsprechend der 1. Eigenform umgerechnet. Basierend auf theoretischen Untersuchungen wurde zusätzlich der Einfluss von strukturellen Imperfektionen infolge des Kriechens und Schwindens des Betons untersucht.Neben der Validierung der Rechenmodelle durch Versuchsnachrechnungen bedarf es bei Anwendung nichtlinearer Finite-Elemente Berechnungen auf reale Tragwerke geeigneter Sicherheitskonzepte, um das geforderte Sicherheitsniveau nach DIN EN 1990 einzuhalten. Für den Nachweis der Kippstabilität werden vorhandene Konzepte für nichtlineare Verfahren aufgegriffen. Dabei ist zu beachten, dass die in DIN EN 1992-1-1 geregelten vereinfachten Verfahren lediglich für reine Biegeprobleme mit Längskraft kalibriert wurden. Für diese Verfahren erfolgen daher im Hinblick auf die für das Kippversagen zusätzlich wesentlichen Einflussgrößen jeweils Vorschläge für Erweiterungen. Die vereinfachten Verfahren der DIN EN 1992-1-1 und des Model Code 2010 werden anhand von Vergleichsrechnungen an typischen Hallenbindern gegenübergestellt und bewertet. Abschließend werden Empfehlungen für die Modellierung des Tragverhaltens kippgefährdeter, scheibenartiger Stahlbeton- und Spannbetonträger beliebiger Geometrie mit der nichtlinearen FEM sowie für ein geeignetes Sicherheitskonzept für die Anwendung auf Kippprobleme in der Praxis gegeben.
Zur Berechnung der Durchbiegungen von Stahlbetonplatten unter Berücksichtigung wirklichkeitsnaher Materialmodelle
(2014-06-25) Choi, Seung Jin; Kiziltan, Halil
Zum Einfluss des Druckbogens auf den Schubwiderstand von Spannbetonbalken
(2012-08-30) Kiziltan, Halil; Maurer, Reinhard; Zilch, Konrad
Ein neues Konzept zum Nachweis der Standsicherheit von Dübelbefestigungen in Wärmedämm-Verbundsystemen (WDVS)
(2009-12-02T09:43:04Z) Krause, Melanie; Maurer, Reinhard; Block, Klaus
Verhalten von Stahlbetonbauteilen unter einer kombinierten Beanspruchung aus Last und zentrischem Zwang
(2008-09-02T10:30:19Z) Djouahra, Gudrun; Maurer, Reinhard; Fehling, Ekkehard
Zum Einfluss der Zwangschnittgrößen aus Temperatur bei Tragwerken aus Konstruktionsbeton mit und ohne Vorspannung
(2008-08-18T09:13:02Z) Arnold, Andreas; Maurer, R.; Hegger, J.
Rauheit von Betonoberflächen
(Universität Dortmund, 2004-02-26) Kadhim El-Tornachi, Mazin; Schäfer, Horst Georg; Block, Klaus
Teil 1 3D-Laser-Messung und Beschreibungder Rauheit von BetonoberflächenDie Reglungen für die Verstärkung und Instandsetzung von Betonbauteilen fordern, dass dieOberflächen der zu verstärkenden Bauteile aufgerauht werden sollen. Es ist aber nichtvorgeschrieben, wie die Rauheit zu bemessen ist, noch wie die Rauheit zu messen ist.Daher wurden diese Fragen hier untersucht.Eine der Methoden zur Erfassung der Oberflächenrauheit ist das Sandflächenverfahren nachKaufmann. Diese Methode ist in den aktuellen nationalen Vorschriften mittlerweile standardisiert.Sie hat aber begrenzte Einsatzmöglichkeiten hinsichtlich der Bereiche der messbarenRauheiten und ihrer eingeschränkten Einsetzbarkeit auf waagerechte oder leicht geneigteFlächen. Dies führte dazu, dass andere Methoden zur Erfassung der Rauheit notwendigwurden. Eine dieser Methoden ist der Einsatz eines Lasers, mit dem man die Oberflächeabtastet und die Rauheit anschließend berechnet. Bislang wurde diese Methode soeingesetzt, dass man die Fläche nur aus einzelnen Schnitten zusammensetzt. Dies führtedazu, dass man nur 2D-Profile erhielt, die 3D-Natur der Oberfläche aber nicht erfasste. Imersten Teil dieser Arbeit wird ein 3D-Laserabtastverfahren ausführlich vorgestellt.Es wurden drei Serien von Betonplatten hergestellt. Jede Serie wurde mit unterschiedlichenZuschlägen betoniert. Jede Betonplatte wurde dann stufenweise um 1 mm bis maximal3 mm aufgeraut. Die Platten wurden mit Hilfe des Sandflächenverfahrens kontrolliertaufgeraut. Anschließend wurden die Platten mit dem Laser flächendeckend abgetastet unddie Oberflächenkenngrößen berechnet. Es wurde eine Korrekturempfindlichkeit eingeführt.Somit wurde dann für jede Serie (Sieblinie) und jede Rauheitsstufe die Korrekturempfindlichkeitund ihr Einfluss auf die Oberflächenkenngrößen untersucht und anschließend dieErgebnisse der 3D-Laserverfahren und Sandflächenverfahren mit einander verglichen.Teil 2 Reibung und Kraftübertragung zwischen Alt- und Neubetonunter nicht ruhender BelastungMit diesem Verfahren, die Oberflächen mit dem 3D-Verfahren abzutasten, besteht dieMöglichkeit, Oberflächen auf neue Weise zu beschreiben. Im zweiten Teil der Arbeit wurdeuntersucht, inwiefern eine Aufrauung der Oberfläche einen Einfluss auf die übertrageneKräfte zwischen einen Betonbauteil und der Verstärkungsschicht hat. Dies wurde auch unternicht ruhender Belastung geprüft.Dazu wurden auch die Betonfestigkeiten der Grundkörper und der Verstärkungsschichtenvariiert. Der Bewehrungsgrad der Verbundfuge wurde durchgehend gleich gehalten. Eskonnte herausgefunden werden, dass die unterschiedlichen Sieblinien keinen Einfluss aufdie Ergebnisse hatten. Nur der Grad der Aufrauung spielt eine Rolle. Es konnte auchherausgefunden werden, dass bei den aufgerauten Flächen die Grundkörper Betonfestigkeitkein Einfluss auf die Ergebnisse hatten. Die Festigkeit der Verstärkungsschichten führenhingegen zu einer deutlichen Erhöhung der übertragbaren Kräfte. Es konnte auchherausgefunden werden, dass die Festigkeit unter Ermüdungsbeanspruchung hier etwa 50%der Kurzzeitfestigkeit betrug.
Spritzbetonverstärkte Stahlbetonstützen
(Universität Dortmund, 2002-12-17) Li, Bing; Schäfer, Horst Georg; Noakowski, Peter
Die nachträgliche Verstärkung von Stahlbetonbauteilen gewinnt weltweit zunehmend an Bedeutung. Verstärkungsmaßnahmen können erforderlich werden, wenn Umnutzungen mit vergrößerten Nutzlasten verbunden sind. Sie können aber auch, beispielsweise in erdbebengefährdeten Regionen, prophylaktisch bzw. nachträglich eingesetzt werden, wenn eine Vorschädigung durch Erdbeben stattgefunden hat.In der vorliegenden Arbeit wird die Traglast von 10 Stahlbetonstützen mit Zulagebewehrung und zeitlich versetzt aufgebrachter Spritzbetonschicht experimentell ermittelt. Ein Bemessungsansatz nach einer Idee von Schäfer wird in modifizierter Form an eigenen und in der Literatur beschriebenen, experimentellen Ergebnissen kalibriert. Der vorliegenden Arbeit liegen Stützen mit quadratischen und kreisrunden Stützenquerschnitten zugrunde; eine Erweiterung des Ansatzes auf Stützen mit Rechteckquerschnitten erscheint möglich.

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