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Zum Tragverhalten von Stahlbetonfertigteilen mit Ortbetonergänzung – dreidimensionale Modellierung, numerische Simulation und experimentelle Untersuchung

  • Das Drilltragverhalten von Fertigteilplatten mit Ortbetonergänzung wird im Wesentlichen durch vertikale Elementfugen beeinflusst. Die DIN 1045-1 erlaubt die Berechnung der Schnittgrößen derartiger Platten unter Ansatz voller Drillsteifigkeit auch für den Fall, dass sich vertikale Elementfugen im Drillbereich \((0,3 *l_{min})\) der Platte befinden. Ein Aufklaffen der horizontalen Verbundfuge zwischen Fertigteilplatte und Ortbeton wird in diesem Fall beidseits der Fuge durch randparallele Gitterträger verhindert. In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Fertigteilplatten mit Ortbetonergänzung physikalisch nichtlinear, unter Berücksichtigung wirklichkeitsnahen Werkstoffverhaltens, mit dreidimensionalen FEM-Ansätzen modelliert. Dazu wird zunächst ein Ansatz zur Berücksichtigung des Tension-Stiffening Effekts in dreidimensionalen FE-Berechnungen entwickelt. Damit gelingt die numerische 3D-Simulation des Tragverhaltens von Stahlbetonfertigteilplatten mit Ortbetonergänzung und insbesondere auch die Erfassung des Einflusses vertikaler Elementfugen auf die Schnittgrößen. Eigene FE- Simulationen, in denen der Bewehrungsstahl als eindimensionales Stabelement diskretisiert worden ist, führten im Lasteinleitungsbereich der Bewehrung lokal zum vorzeitigen Versagen einiger Betonelemente. Abliegende Querschnittsbereiche konnten somit nicht zum Lastabtrag herangezogen werden. In einer aufwendigen dreidimensionalen Simulation in der auch die Bewehrung inklusive Rippen dreidimensional modelliert worden ist, konnte das experimentell ermittelte Tragverhalten unter Berücksichtigung des Tension-Softening Verhaltens im Beton nachgebildet werden. Diese Art der Modellierung ist außerordentlich zeit- und rechenintensiv. Es wird daher zur näherungsweisen Beschreibung des Tension-Stiffening Effekts in dreidimensionalen FE- Modellen ein vereinfachter Ansatz entwickelt, der nach den genaueren Berechnungen und experimentellen Ergebnissen kalibriert wird und das Tragverhalten “verschmiert“ beschreibt. Dies erfolgt zunächst für das einachsige Tragverhalten eines Stahlbetonzugstabs und wird im Anschluss für das zweiachsige Tragverhalten von Stahlbetonplatten erweitert. Mit dem entwickelten Modell sind zweiachsig gespannte Fertigteilplatten mit Ortbetonergänzung berechnet worden. Die Berechnungsergebnisse sind an drei Platten experimentell im Labor für Konstruktiven Ingenieurbau der TU Kaiserslautern abgesichert worden. Die physikalisch nichtlinearen 3D-FEM Berechnungen haben gezeigt, dass die Tragfähigkeit einer zweiachsig gespannten Fertigteilplatte mit Ortbetonergänzung durch eine obere Eckbewehrung nur geringfügig gesteigert werden kann (ca. 6%). Dies bestätigt die Ergebnisse von Gersiek (1990) an quadratischen Stahlbetonplatten in Ortbetonbauweise. Weiter konnte sowohl im Versuch als auch in nichtlinearen Berechnungen gezeigt werden, dass bei Anordnung vertikaler Elementfugen im Drillbereich \((0,3 *l_{min})\) gemäß DIN1045-1 die Tragwirkung der Platte sichergestellt ist. Der Rissverlauf unterscheidet sich nur geringfügig von einer Platte ohne Fugen in den Fertigteilplatten.
  • The load bearing behaviour of prefabricated reinforced concrete panels with in-situ concrete addition depends on the vertical joints between the precast concrete slab panels. DIN 1045-1 allows to take into account the whole torsional plate stiffness in the analysis of precast concrete slabs with in-situ concrete addition even if there are joints near the corners of the slab, in the drill area. Edge parallel complementary reinforcing steel truss girders, which combine the precast slab and the additional in-situ concrete regularly, on both sides of the joints prevent shear deformation between the precast panel and the in-situ concrete. Here the load bearing behaviour of two-way reinforced concrete slabs is analyzed with nonlinear 3D-finite element simulations. In a first step a 3D-finite element analysis model for the nonlinear behaviour of the tension-stiffening effect is carried out. This 3D-FEM-model allows to analyze reinforced concrete precast slabs with in-situ concrete addition including joints in the precast slabs. The analysis of the slabs is checked by three experiments on two-way reinforced concrete slabs - precast slab with in-situ concrete addition. The experimental results confirmed the numerical 3D-FEM Model. The analysis showed, that the bearing capacity of a two-way precast concrete slab can only increased marginal (max. about 5%) by the upper corner reinforcement, demanded by German Code DIN 1045-1. A slight upper corner reinforcement would be necessary only if there are strong demands on the serviceability of the slab. In precast reinforced concrete slabs with in-situ addition the upper chord of the reinforcing truss girders reduces the crack width even if it is without ribs. If there is a joint in the precast slabs at the slab corners in the drill area \((0,3 *l_{min})\) according to German Code DIN 1045-1) the analysis and the experiments show, that reinforcing truss girders on both sides of a joint give the whole torsional plate stiffness resulting in the full drilling and same bearing capacity of plate without joints. Moreover an undisturbed crack path across the joint appears in analysis and experiment.

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Metadaten
Author:Marc Gröning
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-33891
Serie (Series number):Schriftenreihe der Fachgebiete Baustofftechnologie und Bauschadenanalyse, Massivbau und Baukonstruktion, Stahlbau des Studienganges Bauingenieurwesen (16)
Advisor:Jürgen Schnell, Dieter Dinkler
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2013/01/21
Year of Publication:2013
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2012/06/29
Date of the Publication (Server):2013/01/23
Tag:Dreidimensionale Modellierung; Drilltragverhalten; Fertigteildecken mit Ortbetonergänzung; Gitterträger; Tension-Stiffening; obere Eckbewehrung; vertikale Elementfugen; wirklichkeitsnahe numerische Simulation
Number of page:IX, 159
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:7 Künste und Unterhaltung, Architektur, Raumplanung / 720 Architektur
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 10.09.2012