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Durch die Kombination von Hohlkörpern mit einem Feinkorn-Hochleistungsbeton können sehr leistungsfähige und zugleich schlanke Tragstrukturen realisiert wer-den. Dies ermöglicht einen effizienten Materialeinsatz, wodurch Beton, Betonstahl und insbesondere der im Beton enthaltene Zement gegenüber herkömmlichen Strukturen verringert werden können. Die Herstellung dieser Materialien erfordert einen hohen Einsatz von Primärenergie, sodass sich in der Folge nicht nur der Verbrauch primärer Energieträger, sondern insbesondere die Emission von Treib-hausgasen reduziert.
Zur Sicherstellung einer praxisgerechten Handhabung gilt es, einen Hochleis-tungsbeton auszuwählen, der hinsichtlich seiner mechanischen Kennwerte hohen Anforderungen entspricht und zugleich gut zu verarbeiten ist. Der in der vorliegen-den Arbeit verwendete Nanodur®-Beton zeichnet sich sowohl durch seine Zug- und Druckfestigkeit als auch seinen hohen E-Modul gegenüber herkömmlichen Beto-nen aus. Er lässt sich einfach verarbeiten und kann ohne die Verwendung speziel-ler Mischanlagen hergestellt werden.
Bisher durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verwendung von Hohlkörpern das Tragverhalten von Deckenplatten maßgeblich beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass insbesondere die Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraft-bewehrung sowie die lokale Durchstanztragfähigkeit deutlich verringert werden, sodass diese mittels experimenteller Untersuchungen für Hohlkörperdecken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton neu zu bewerten sind. Das Biegetrag- und das Ver-formungsverhalten können anhand dieser Ergebnisse sowie weiterer theoretischer Betrachtungen bewertet werden, da diese durch die Verwendung von Hohlkörpern im Querschnitt nur untergeordnet verändert werden. Für weitergehende Untersu-chungen wurden ein FE-Berechnungsmodell an den ermittelten Daten kalibriert und die Eingaben an Versuchen validiert.
Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass bereits bestehende Berech-nungs- bzw. Bemessungsansätze nur mit Einschränkungen auf Hohlkörperdecken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton übertragen werden können. Die Bemessung der Biegetragfähigkeit und der lokalen Durchstanztragfähigkeit wurde anhand von bereits vorliegenden Konzepten modifiziert und durch Parameter zur Berücksichti-gung des feinkörnigen Nanodur®-Betons sowie der gegenüber von herkömmli-chen Betonen reduzierten Betondeckung von Bewehrung und Hohlkörpern ergänzt. Die Berechnung der Verformungen wurde auf Grundlage etablierter Ansätze so-wohl für Hohlkörperdecken als auch für massiv ausgeführte Querschnitte aus Na-nodur®-Beton an den durchgeführten Versuchen kalibriert. Zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung wurde ein Modell an den experi-mentellen Untersuchungen validiert, das auf der individuellen Ermittlung der drei Haupttraganteile der Querkrafttragfähigkeit (ungerissene Betondruckzone, Rissrei-bung sowie Dübelwirkung der Längsbewehrung) basiert. Aufgrund der Komplexität dieses Modells wurde weiterhin ein Konzept entwickelt, das die praxisgerechte Bemessung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung von Hohlkörper-decken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton ermöglicht.
Abschließend wird die Anwendung der in dieser Dissertation erarbeiteten Berech-nungs- und Bemessungsmodelle an einem Anwendungsbeispiel veranschaulicht.
Die Bemessung von Verbunddecken ist in DIN EN 1994-1-1 2010 geregelt,
worin ausführliche Informationen zur Bestimmung der Längsschub- und Biegetragfähigkeit
aufgeführt sind. Für den Nachweis der Querkrafttragfähigkeit
verweist der EC4 auf das Modell für nicht schubbewehrte Massivquerschnitte
in DIN EN 1992-1-1 2011, da bis vor kurzem kein eigenständiges
Querkraftbemessungsmodell für Verbunddecken zur Verfügung stand. Das
Modell im EC2 gründet auf einigen Annahmen, die für Verbunddecken nicht
vorausgesetzt werden können. Außerdem können die spezifischen Eigenschaften
von Verbunddecken nicht berücksichtigt werden. Daher wurde in
Hartmeyer 2014 ein Modell zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit von
Verbunddecken, die ausschließlich durch das Verbundblech längsbewehrt
sind, entwickelt. Verbunddecken werden in der Praxis allerdings stets mit
zusätzlicher Betonstahlbewehrung ausgeführt. In dem zuvor genannten Modell
für Verbunddecken kann der positive Einfluss der zusätzlichen Betonstahlbewehrung
auf das Querkrafttragverhalten der Verbunddecken jedoch
nicht vollumfänglich berücksichtigt werden.
In dieser Arbeit wurde daher ein eigenständiges Ingenieurmodell entwickelt,
mit dem das Querkrafttragverhalten von Verbunddecken unter der Kombination
der beiden Längsbewehrungsarten Blech und Betonstahl mechanisch
beschrieben werden kann. Hierzu wurden umfangreiche Querkraftversuche
an Verbunddecken durchgeführt. Durch den Einsatz kontinuierlicher
Dehnungsmessung mittels Sensorfasern, konnten wesentliche Erkenntnisse
zum Querkrafttragverhalten gewonnen werden. So wurde beispielsweise
festgestellt, dass das Querkrafttragverhalten von Verbunddecken dem
Bogen-Zugband-Modell zuzuordnen ist und Ebenbleiben der Querschnitte
nicht vorausgesetzt werden kann. Das entwickelte Modell beinhaltet vier
Traganteile, die additiv berücksichtigt werden. Diese sind der Schubtraganteil
der ungerissenen Druckzone, der Traganteil der Rissprozesszone, die
Dübelwirkung von Blech und Betonstahl sowie der vertikale Anteil einer direkten
Druckstrebe ins Auflager. Das Modell ist gleichermaßen für offene
und hinterschnittene Geometrien gültig und berücksichtigt über die Teilverbundtheorie
die spezifischen Eigenschaften der Verbundbleche. Die Untersuchungen
in dieser Arbeit konzentrierten sich auf Verbunddecken aus
Normalbeton. Eine Öffnung des Modells für Verbunddecken aus Leichtbeton
ist prinzipiell möglich, da die Materialeigenschaften innerhalb der einzelnen
Traganteile direkt Berücksichtigung finden und somit die speziellen Eigenschaften
des Leichtbetons Eingang finden könnten.
Durch die Berücksichtigung der Kombination der beiden Längsbewehrungsarten
ist es erstmals möglich, die Querkrafttragfähigkeit von Verbunddecken
zutreffend zu beschreiben. Da hiermit eine erhebliche Traglaststeigerung
einhergeht, konnte folglich die Wirtschaftlichkeit von Verbunddecken gesteigert
werden. Im Zuge der Überarbeitung des EC4 wurde das entwickelte
Modell bereits in den Entwurf (prEN 1994-1-1 2020) aufgenommen.
In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen analysiert und ein Modell zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts entwickelt. Die Basis dazu bilden umfangreiche experimentelle und rechnerische Untersuchungen. Des Weiteren wird die Reibung zwischen dem Schaft von einbetonierten Kopfbolzendübeln und dem umgebendem Beton experimentell untersucht. Anhand von 21 großmaßstäblichen Traglastversuchen, die erstmals so konzipiert waren, dass im Öffnungsbereich nahezu die gesamte Querkraft durch den Betongurt übertragen wurde, konnte die Querkrafttragfähigkeit des Betongurts experimentell in engen Grenzen bestimmt werden. Neue Erkenntnisse über den Lastabtragungs- und Versagensmechanismus im Öffnungsbereich wurden durch die Auswertung der Dehnungen der Kopfbolzendübel im Öffnungsbereich und das nachträgliche Aufsägen des Betongurts der Versuchsträger gewonnen. Die Versuche wurden mit einem dreidimensionalen FE-Modell, das die Versuche in ihren wesentlichen Teilen abbildete, simuliert. Durch den Vergleich der rechnerischen mit den experimentell ermittelten Werten wurde dieses Modell überprüft und anschließend wurden damit Parameteruntersuchungen durchgeführt. Mit den Erkenntnissen aus den experimentellen und rechnerischen Untersuchungen konnte der Lastabtragungsmechanismus im Öffnungsbereich umfassend analysiert werden und ein Ingenieurmodell zur Bestimmung und zum Nachweis der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts im Öffnungsbereich entwickelt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird das Querkrafttragverhalten vorgefertigter Wand-elemente aus haufwerksporigem Leichtbeton (LAC) untersucht.
Leichtbeton mit haufwerksporigem Gefüge gilt als gut wärmedämmend und ressourcenschonend, weshalb er bei Verwendung in Fassadenelementen weiter an Bedeutung gewinnt. Allerdings führen unzureichende Erkenntnisse zum Querkraft-tragverhalten freitragender Wandbauteile ohne und mit Querkraftbewehrung zu normativen Einschränkungen in der konstruktiven Durchbildung und Herstellung der Fertigteile.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Bemessungsmodells für freitragende Wandelemente aus LAC, das mit geeigneten Bewehrungskonstruktionen sowohl die einwandfreie Herstellung im üblichen Walzverfahren ermöglicht als auch die Tragfähigkeit der Elemente sicherstellt.
Zunächst werden experimentelle Untersuchungen zur Verdichtung von Elementen aus haufwerksporigem Leichtbeton durchgeführt. Darauf aufbauend ermöglichen Auszug-versuche mit einem modifizierten BeamEndTest eine Aussage über das Verbund- und Verankerungsverhalten von Bewehrungsstäben in LAC.
Mit den Ergebnissen der Auszugversuche werden Großversuche an Wandbauteilen konzipiert und durchgeführt, welche die Beurteilung der Querkrafttragfähigkeit von Bauteilen ohne und mit Querkraftbewehrung erlauben. Aus den experimentellen Untersuchungen wird ein an den Eurocode 2 und DIN EN 1520:2011-06 angelehnter Bemessungsvorschlag entwickelt, der unter anderem auch die Schubschlankheit der Elemente und die Verankerung der Querkraftbewehrung als Einflussparameter berücksichtigt.
Teile dieser Arbeit wurden im Forschungsvorhaben „Innovative Konstruktions- und Bemessungsregeln zur Optimierung der Querkraft- und Torsionstragfähigkeit von freitragenden Wandplatten aus LAC“ erarbeitet. Dabei handelt es sich um ein Kooperationsprojekt zwischen der Technischen Universität Kaiserslautern (Prof. Dr.-Ing. Matthias Pahn, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell), der Hochschule Koblenz (Prof. Dr.-Ing. Ralf Zeitler) und dem Bundesverband Leichtbeton e.V. (Dieter Heller). Das Projekt wurde gefördert durch das Bundesministerium fürWirtschaft und Energie.
Zur Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken mit integrierten Hohlräumen unter Zugbeanspruchung
(2023)
Zur Realisierung von schlanken, weit gespannten Deckensystemen im Hochbau werden zunehmend einachsig und zweiachsig gespannte Hohlkörperdecken eingesetzt. Bei dieser Bauweise sind die Deckenquerschnitte im Vergleich zu massiven Stahlbetondecken planmäßig geschwächt. Gleichermaßen gilt dies für Stahlbetondecken, die als Installationsebene für Leitungen der Gebäudetechnik genutzt werden. In beiden Fällen führen die integrierten Hohlräume zu einer Minderung der Querkrafttragfähigkeit von nicht querkraftbewehrten Stahlbetondecken. An der TU Kaiserslautern wurde in den vergangenen Jahren die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken mit integrierten Leitungen eingehend erforscht. Die entwickelten Bemessungskonzepte stehen der Baupraxis mit den nationalen Erläuterungen in DAfStb Heft 600 zu DIN EN 1992-1-1 zur Verfügung. Der Einfluss von Längszug auf die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken mit integrierten Hohlräumen ist jedoch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wird mit experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen das Querkraftversagen von einachsig gespannten Stahlbetondecken mit integrierten Hohlräumen und Hohlkörpern unter Längszug erforscht. Die Arbeit gibt Aufschluss über das Tragverhalten geschwächter Stahlbetonbauteile unter Längszug infolge einer direkten Einwirkung. Die Versuchsergebnisse zeigen einen erwartungsgemäß ungünstigen Einfluss von Längszug auf die Querkrafttragfähigkeit massiver Stahlbetondecken. Im Gegensatz dazu zeigt sich bei Stahlbetondecken mit integrierten Hohlräumen und bei Stahlbetondecken mit integrierten Hohlkörpern ein deutlich geringerer, ungünstiger Einfluss von Längszug auf die Querkrafttragfähigkeit, der mit zunehmender Querschnittsschwächung deutlich zurückgeht. Auf Grundlage der Ergebnisse wird ein Vorschlag zur Erweiterung des bestehenden Bemessungskonzeptes nach Dafstb Heft 600 für die Bemessung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen mit integrierten Hohlräumen unter Längszug erarbeitet. Gleichermaßen wird ein Vorschlag zur Erweiterung des Bemessungskonzeptes für die Querkrafttragfähigkeit von Hohlkörperdecken nach den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen für Hohlkörperdecken vom Typ Cobiax Eco-Line, Cobiax Slim-Line und Unidome XS unterbreitet.
Große Stegöffnungen werden in Stahlverbundträgern immer dann erforderlich, wenn in Trägerebene Leitungen quer zur Trägerachse geführt werden sollen. Die Attraktivität der Stahlverbundbauweise steigt mit der Möglichkeit, die Tragfähigkeit im Bereich großer Stegöffnungen rechnerisch nachweisen zu können. Bisher war es aber nicht möglich, eine Verstärkung des Betongurtes durch Einbau von Dübelleisten in einem Nachweiskonzept nutzbar zu machen. Bei Dübelleisten handelt es sich um Doppelkopfanker, die in einer Reihe meist auf ein Lochblech aufgeschweißt werden. Sie werden von mehreren Herstellern als Querkraft- und Durchstanzbewehrungselemente vertrieben.
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von Dübelleisten auf das Querkrafttragverhalten
des Stahlbetongurts von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen untersucht. Dazu wurden 28 Versuche sowie rechnerische Untersuchungen durchgeführt.
Dabei konnte in einzelnen Versuchen durch den Einsatz von Dübelleisten eine Traglaststeigerung von mehr als 50 % erzielt werden. Unter anderem wurde der Effekt der Querbiegung untersucht, bei dem durch die vertikale Belastung des Betongurts außerhalb der Verbundträgerachse ein negatives Biegemoment in Querrichtung entsteht.
Es wurde ein Nachweiskonzept erarbeitet, mit dem die Querkrafttragfähigkeit eines Betongurts unter Berücksichtigung von im Betongurt angeordneten Dübelleisten wirklichkeitsnah
bestimmt werden kann. Das erstellte Konzept ermöglicht es, bei der Bemessung von Verbundträgern, die durch Stegöffnungen geschwächt sind, durch einen geringen Mehreinsatz von Bewehrung in Form von Dübelleisten eine deutliche Traglaststeigerung zu erzielen. Der Einfluss von Querbiegemomenten wird durch eine konservative Abschätzung der Lasteinzugsfläche berücksichtigt.
Durch den Einsatz von Hohlkörpern in Stahlbetondecken können Beton, Stahl und folglich Gewicht eingespart werden. Die Materialeinsparung reduziert den Primärenergiebedarf sowie die Treibhausgasemissionen bei der Herstellung. Hierdurch stellen Hohlkörperdecken im Vergleich zu konventionellen Massivdecken eine ressourcenschonendere Bauweise dar. Infolge der deutlich reduzierten Eigenlast und einem im Verhältnis geringeren Steifigkeitsabfall können zudem Decken mit großen Spannweiten realisiert werden.
Die einzelnen Traganteile der Decken werden durch die Hohlkörper grundsätzlich nachteilig beeinflusst. Die Tragfähigkeit von Hohlkörperdecken mit abgeflachten rotationssymmetrischen Hohlkörpern wurde in der vorliegenden Dissertationsschrift im Detail analysiert. Auf Grundlage experimenteller und theoretischer Untersuchungen wurden Bemessungskonzepte für die Biegetragfähigkeit, die Querkrafttragfähigkeit, die Schubkraftübertragung in der Verbundfuge und das lokale Durchstanzen des Deckenspiegels oberhalb der Hohlkörper entwickelt. Unter Berücksichtigung der Bemessungskonzepte können die Hohlkörperdecken auf dem bauaufsichtlich geforderten Sicherheitsniveau hergestellt werden.
Für die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken ohne Querkraftbewehrung steht derzeit kein allgemein anerkanntes mechanisch begründetes Bemessungskonzept zur Verfügung. Der Einfluss der einzelnen Traganteile auf das Versagen wurde experimentell analysiert. Hierzu wurden Versuche mit verlagerter Druckzone sowie mit ausgeschalteter Rissuferverzahnung und mit ausgeschalteter Dübelwirkung durchgeführt. Der rechnerische Einfluss der einzelnen Traganteile an der Gesamttragfähigkeit konnte durch die Nachrechnung von Versuchen zu Hohlkörper- und Installationsdecken unter Verwendung eines bestehenden mechanisch begründeten Rechenmodells visualisiert und verifiziert werden. Hierdurch wird ein Beitrag zum besseren Verständnis der Querkrafttragfähigkeit geleistet.