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Modellbildung und Konstruktion von hochtragfähigen und vorgefertigten Stahlbetondruckgliedern
Stahlbetondruckglieder ermöglichen die optimale Ausnutzung der hohen Druckfestigkeit von Beton und zeichnen sich auch darüber hinaus durch günstige Eigenschaften für das Bauwesen in Bezug auf den Feuerwiderstand sowie auf die Robustheit und Dauerhaftigkeit aus. Der Einsatz höherfester Betone und hoher Bewehrungsgrade bringt mit der Reduzierung erforderlicher Querschnittsabmessungen eine Reihe von wirtschaftlichen, ästhetischen und nachhaltigen Vorteilen mit sich. Weitere Vorzüge im Hinblick auf den beschleunigten Baufortschritt, eine hohe Ausführungsqualität und Rückbaubarkeit werden durch die Vorfertigung der Druckglieder erzielt. Die zukünftige Optimierung von Stahlbetondruckgliedern führt jedoch zu Konfigurationen außerhalb der normativ geregelten Bereiche sowie neuen Fragestellungen in Bezug auf eine sichere Bemessung und konstruktive Durchbildung. Eine Auswertung zu Hintergründen gültiger Konstruktionsregeln zeigt, dass diese Festlegungen häufig nicht durch mechanisch konsistente Modelle zur Abbildung des Tragverhaltens gestützt werden. Das Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung von auf physikalischen Grundlagen basierenden, experimentell abgesicherten Modellen zur Beschreibung des Tragwiderstandes und der Robustheit von hochtragfähigen und vorgefertigten Stahlbetondruckgliedern. Der entwickelte Ansatz zur differenzierten Erfassung der bauteilspezifischen Einflüsse auf die in Stahlbetondruckgliedern nutzbare Bauteildruckfestigkeit ermöglicht eine sichere Traglastbemessung unter Berücksichtigung hoher Längs- und Querbewehrungsgrade. Die Untersuchungen zeigen, dass die Erhöhung der Betondruckfestigkeit für die Traglastbemessung eine untergeordnete Rolle spielt, diese allerdings bei der Robustheitsbemessung umso bedeutsamer ist. Stahlbetondruckglieder sollten wegen der erhöhten Sprödigkeit höherfester Betone definierte Robustheitsziele zur Sicherstellung der Resilienz der Gesamtkonstruktion einhalten. Die zur Analyse der Robustheit durchgeführten experimentellen, numerischen und modelltheoretischen Unter-suchungen zeigen die hohe Effektivität der Querbewehrung in Bezug auf die im Residualzustand aufnehmbare Traglast. Das neu entwickelte und validierte Ingenieurmodell kann die Robustheit von Stahlbetondruckgliedern zuverlässig abbilden und verdeutlicht die Notwendigkeit angepasster Konstruktionsregeln. Aus einer ergänzenden Parameterstudie können erweiterte Regeln zur konstruktiven Durchbildung abgeleitet werden, die auch bei Verwendung höherfester Betone zu einem robusten Bauteilverhalten führen. Die Vorfertigung von Stahlbetondruckgliedern führt zu einer komplexen Fügestelle, an die hohe Anforderungen an die Druckkraftübertragung, die Steifigkeit, den Toleranzausgleich und die spätere Rückbaubarkeit gestellt werden. Insbesondere für hochtragfähige Bauteile weisen experimentelle Untersuchungen mit hohen Bewehrungsgraden darauf hin, dass stumpf gestoßene Stahlbetondruckglieder trotz Querdehnungsbehinderung mittels Stahlplatten nicht die Traglast eines monolithischen Druckgliedes erreichen. Mithilfe von dreidimensionalen meso- und makroskaligen Finite-Elemente-Modellen können in Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten Relativverschiebungen zwischen den Längsstäben und dem umliegenden Beton im Bereich der Fügestelle identifiziert werden. Aus der Verbundreaktion folgt eine Umlagerung von Druckspannungen aus der Längsbewehrung auf den Beton. Während diese Spannungsumlagerungen im Betonkern infolge einer effektiven Umschnürung durch die Bügelbewehrung und die Stahlplatten aufgenommen werden können, wird mit zunehmenden Druckspannungen in der Betondeckung die einaxiale Betondruckfestigkeit erreicht. Sobald die einsetzenden Abplatzungen und der damit einhergehende Lastabfall nicht mehr durch die Längsbewehrung und den Betonkern kompensiert werden können, kommt es zu einem frühzeitigen Versagen des gestoßenen Druckgliedes. Die numerischen Simulationen zeigen aber auch, dass mit einer sorgfältigen konstruktiven Durchbildung der Fügestelle eine hohe Ausnutzung der monolithischen Vergleichstraglast erreichbar ist.
Modellbildung und Konstruktion von hochtragfähigen und vorgefertigten Stahlbetondruckgliedern
Stahlbetondruckglieder ermöglichen die optimale Ausnutzung der hohen Druckfestigkeit von Beton und zeichnen sich auch darüber hinaus durch günstige Eigenschaften für das Bauwesen in Bezug auf den Feuerwiderstand sowie auf die Robustheit und Dauerhaftigkeit aus. Der Einsatz höherfester Betone und hoher Bewehrungsgrade bringt mit der Reduzierung erforderlicher Querschnittsabmessungen eine Reihe von wirtschaftlichen, ästhetischen und nachhaltigen Vorteilen mit sich. Weitere Vorzüge im Hinblick auf den beschleunigten Baufortschritt, eine hohe Ausführungsqualität und Rückbaubarkeit werden durch die Vorfertigung der Druckglieder erzielt. Die zukünftige Optimierung von Stahlbetondruckgliedern führt jedoch zu Konfigurationen außerhalb der normativ geregelten Bereiche sowie neuen Fragestellungen in Bezug auf eine sichere Bemessung und konstruktive Durchbildung. Eine Auswertung zu Hintergründen gültiger Konstruktionsregeln zeigt, dass diese Festlegungen häufig nicht durch mechanisch konsistente Modelle zur Abbildung des Tragverhaltens gestützt werden. Das Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung von auf physikalischen Grundlagen basierenden, experimentell abgesicherten Modellen zur Beschreibung des Tragwiderstandes und der Robustheit von hochtragfähigen und vorgefertigten Stahlbetondruckgliedern. Der entwickelte Ansatz zur differenzierten Erfassung der bauteilspezifischen Einflüsse auf die in Stahlbetondruckgliedern nutzbare Bauteildruckfestigkeit ermöglicht eine sichere Traglastbemessung unter Berücksichtigung hoher Längs- und Querbewehrungsgrade. Die Untersuchungen zeigen, dass die Erhöhung der Betondruckfestigkeit für die Traglastbemessung eine untergeordnete Rolle spielt, diese allerdings bei der Robustheitsbemessung umso bedeutsamer ist. Stahlbetondruckglieder sollten wegen der erhöhten Sprödigkeit höherfester Betone definierte Robustheitsziele zur Sicherstellung der Resilienz der Gesamtkonstruktion einhalten. Die zur Analyse der Robustheit durchgeführten experimentellen, numerischen und modelltheoretischen Unter-suchungen zeigen die hohe Effektivität der Querbewehrung in Bezug auf die im Residualzustand aufnehmbare Traglast. Das neu entwickelte und validierte Ingenieurmodell kann die Robustheit von Stahlbetondruckgliedern zuverlässig abbilden und verdeutlicht die Notwendigkeit angepasster Konstruktionsregeln. Aus einer ergänzenden Parameterstudie können erweiterte Regeln zur konstruktiven Durchbildung abgeleitet werden, die auch bei Verwendung höherfester Betone zu einem robusten Bauteilverhalten führen. Die Vorfertigung von Stahlbetondruckgliedern führt zu einer komplexen Fügestelle, an die hohe Anforderungen an die Druckkraftübertragung, die Steifigkeit, den Toleranzausgleich und die spätere Rückbaubarkeit gestellt werden. Insbesondere für hochtragfähige Bauteile weisen experimentelle Untersuchungen mit hohen Bewehrungsgraden darauf hin, dass stumpf gestoßene Stahlbetondruckglieder trotz Querdehnungsbehinderung mittels Stahlplatten nicht die Traglast eines monolithischen Druckgliedes erreichen. Mithilfe von dreidimensionalen meso- und makroskaligen Finite-Elemente-Modellen können in Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten Relativverschiebungen zwischen den Längsstäben und dem umliegenden Beton im Bereich der Fügestelle identifiziert werden. Aus der Verbundreaktion folgt eine Umlagerung von Druckspannungen aus der Längsbewehrung auf den Beton. Während diese Spannungsumlagerungen im Betonkern infolge einer effektiven Umschnürung durch die Bügelbewehrung und die Stahlplatten aufgenommen werden können, wird mit zunehmenden Druckspannungen in der Betondeckung die einaxiale Betondruckfestigkeit erreicht. Sobald die einsetzenden Abplatzungen und der damit einhergehende Lastabfall nicht mehr durch die Längsbewehrung und den Betonkern kompensiert werden können, kommt es zu einem frühzeitigen Versagen des gestoßenen Druckgliedes. Die numerischen Simulationen zeigen aber auch, dass mit einer sorgfältigen konstruktiven Durchbildung der Fügestelle eine hohe Ausnutzung der monolithischen Vergleichstraglast erreichbar ist.
Modellbildung und Konstruktion von hochtragfähigen und vorgefertigten Stahlbetondruckgliedern
Matz, Henrik (Autor:in) / Universitätsbibliothek Braunschweig (Gastgebende Institution) / Empelmann, Martin (Akademische:r Betreuer:in) / Kollegger, Johann (Akademische:r Betreuer:in)
2023
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, IBMB, der Technischen Universität Braunschweig - Materialprüfanstalt für das Bauwesen - MPA Braunschweig, vol. 246
Sonstige
Elektronische Ressource
Deutsch
DDC:
624
Modellbildung und Konstruktion von hochtragfähigen und vorgefertigten Stahlbetondruckgliedern
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