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Untersuchungen zur Rissentwicklung und Versagensverhalten von Rahmenecken

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Untersuchungen zur Rissentwicklung und Versagensverhalten von Rahmenecken - PowerPoint PPT Presentation


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Untersuchungen zur Rissentwicklung und Versagensverhalten von Rahmenecken. Prof. Dr. -Ing. D. Mähner Fachhochschule Münster, Corrensstraße 25, 48149 Münster. Rahmenecken. Nachfolgend wird die Tragfähigkeit unterschiedlich bewehrter Rahmenknoten im Zuge von Laborversuchen dargestellt.

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untersuchungen zur rissentwicklung und versagensverhalten von rahmenecken
Untersuchungen zur Rissentwicklung und Versagensverhalten von Rahmenecken

Prof. Dr. -Ing. D. MähnerFachhochschule Münster, Corrensstraße 25, 48149 Münster

slide2
Rahmenecken

Nachfolgend wird die Tragfähigkeit unterschiedlich bewehrter Rahmenknoten im Zuge von Laborversuchen dargestellt.

Dabei handelt es sich um Rahmenknoten, die mit einem negativen Moment belastet sind.

Die unterschiedlichen Rissbilder und die Versagensformen werden dabei dargestellt und erläutert.

Alle Berechnungen für diesen Versuch erfolgten unter Berücksichtigung des Eurocode 2 (DIN EN 1992-1-1) mit Nationalen Anhang.

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slide3
Einleitung
  • In dieser Versuchsreihe wurden Rahmenecken aus Stahlbeton mit einemnegativen Moment belastet. Während der Versuchsdurchführung dokumentierten die Studierenden die Rissentwicklung des Rahmen in Abhängigkeit der aufgebrachten Last.
  • Des weiteren wurden diverse Messtechniken verwendet (Kraftmessdose, Weg-aufnehmer), um qualitativ das Verformungsverhalten (Weg) des Rahmenriegel in Abhängigkeit zur aufgebrauchten Last (Kraft) zu ermitteln.
  • Es wurden 3 Versuchskörper untersucht, die sich in ihrer Art der Bewehrungs-führung im Knotenbereich unterschieden haben.
  • Großer Biegerollendurchmesser (20 Ø); übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt; verankern der Bewehrung mittels Winkelhaken
  • Großer Biegerollendurchmesser (20 Ø); übergreifen der Bewehrung im Riegel; kein verankern der Bewehrung mittels Winkelhaken
  • Kleiner Biegerollendurchmesser (4 Ø); übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt; verankern der Bewehrung mittels Winkelhaken

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Vorbereitung der Rahmenecken Bemessung und Konstruktion

System und Belastung

Materialangaben:

Beton: C 20/25

Baustahl: B500B

Schnitt A-A

F [kN]

F [kN]

Bemessungslast:

F = 100 kN

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slide5
Zustandslinien zur Bemessung

-100

M

N

-87

-87

[kN]

[kNm]

Rahmenknotenpunkt

V

Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt

-100

-100

N

[kN]

M

M

V

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Finite Elemente Methode (FEM)

Entwicklung eines Stabwerkmodels aus den Spannungstrajektorien

Hier im Farbabstufungen deutlich gemacht

7,28 MN/m²

  • Zugstrebe

11,82 MN/m²

  • Druckstrebe
  • Querdruckstrebe

-6,34 MN/m²

Fs

MEd

-2,85 MN/m²

Fc

MEd

7,28 MN/m²

Fs

Fc

[MN/m²]

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Bemessung der Rahmenkonstruktion

Biegebemessung im Riegel: (charakteristisch)

Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt

N

M

M

V

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Bemessung der Rahmenkonstruktion

Biegebemessung im Stiel: (charakteristisch)

Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt

N

M

M

V

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Bemessung der Rahmenkonstruktion

Querkraftbemessung im Stiel des Rahmens: (charakteristisch)

Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt

N

M

M

V

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Bemessung der Rahmenkonstruktion

Nachweis der erforderlichen Querkraftbewehrungim Stiel des Rahmen (charakteristisch)

Querkraftbewehrung im Riegel des Rahmen

Im Riegel des Rahmen werden konstruktiv Bügel mit einem Ø 6 mm und einen Abstand von 20 cm zueinander eingelegt, um einen vollständigen Korbverbund zu gewährleisten.

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Bemessung der Rahmenkonstruktion

Ermittlung der Übergreifungslänge der Bewehrung

Am Beispiel des Prüfkörper 2 (charakteristisch)Übergreifen im Riegel des Rahmen

Sofern keine angeschweißten Querstäbe vorhanden sind (α4) kann vereinfacht folgende Gleichung angewandt werden.

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Bemessung der Rahmenkonstruktion

Übergreifen der statisch erforderlichen Bewehrungim Knotenbereich der Rahmenecke

( Hinweis: Die Berechnung der Übergreifungslängen erfolgte unter Ansatz von guten Verbundbedingungen

aufgrund der liegenden Herstellung der Rahmenecken.

Im Knotenpunkt des Rahmens(Wand - Deckenanschluss)

Im Knotenpunkt des Rahmens

mit zusätzlicher Verankerung

Im Riegel des Rahmensohne zusätzlicher Verankerung

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Bewehrungszeichnung

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Bewehrungszeichnung

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Bewehrungszeichnung

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Bewehrung in der Schalung

Prüfkörper 1

HT-Rohr zur Durchführung des Zugbandes(Gewindestange)

  • Übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt
  • Zugkraftumlenkung mit einem großen Biegerollen-durchmesser
  • Verankerung der Bewehrung mit Winkelhacken

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Bewehrung in der Schalung

Prüfkörper 2

  • Übergreifen der Bewehrung im Riegel
  • Zugkraftumlenkung mit einem großen Biegerollen-durchmesser
  • keine Verankerung

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Bewehrung in der Schalung

Prüfkörper 3

  • Übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt
  • Zugkraftumlenkung mit einem kleinen Biegerollen-durchmesser
  • Verankerung mit Winkelhacken

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Betonieren und vorbereiten der Versuchsdurchführung

Zur Erleichterung der Rissbild-dokumentation wurden die Prüfkörper mit weißer Dispersions-farbe angestrichen und die Bewehrungsführung aufgezeichnet

Ausgeschalte Versuchskörper

Betonieren der Versuchskörper

Zuletzt wurde die Prüfungseinrichtung (Druckzylinder, Weg-aufnehmer und eine Kraftmessdose) der Rahmenecken montiert

Probekörper zur Festigkeitsprüfung

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Prüfungseinrichtung

Stahlplatten zur gleichmäßigen Lasteinleitung

Wegaufnehmer

Stahlkonterplatten zur gegenseitigengleichmäßigen Lasteinleitung

Kraftmessdose

Druckzylinder

Unterstützung für den

Druckzylinder

Gewindestange als Zugband+ PVC Rohr als Schutzmantel

Rollenlagerung

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Ermittlung von Materialkennwerten

Prüfen des Betons und des Betonstahls

(Festigkeitsprüfung)

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Prüfung des verwendeten Betons

Im Rahmen der Versuchsreihe wurden Prüfkörper zur Bestimmung der Festigkeiten des Betons erstellt. (9 Würfel, 3 Zylinder)

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Prüfung des verwendeten Betonstahls

Bestimmung der Betonstahlkennwerte nach DIN 488 (2009-08)

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Versuchsdurchführung

Erläuterungen zur Rissentwicklung und Versagensursache der Rahmenecken

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Prüfkörper 1

Rissbilder nach aufbringen der Last F = 80 kNund Rissbilder max. F = 150 kN

  • Entstehung von Biegerissen, die einen eindeutigen Verlauf zur Rahmeninnen-ecke aufweisen.
  • Kaum eine Rissentwicklung im Knoten-bereich (hoher Bewehrungsgrad)
  • Nach erreichen der Last von ca. 150 kN nahmen die Verformungen des Stiels überproportional zu. Besonders die in Rot markierten Risse öffneten sich sehr stark.

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Versagensursache Prüfkörper 1

Da das Zugband (Gewindestange) zur Kraftübertragung zum gegenüberliegenden Stiel des Rahmens bei einer Belastung von 150 kN schon sehr starke Biegeverformungen aufzuweisen hatte, wurde aufgrund von Sicherheitsbedenken der Prüfkörper 1 nicht bis zum endgültigen Bruch belastet.

Allerdings kann festgehalten werden, dass sich bei einer Belastung von 135 kN die Risse an den Knotenschnittstellen zum Stiel und Riegel stark auftaten. Die Bewehrung fing an zu fließen. Die Verformungen nahmen bis 150 kN immer stärker zu, sodass man vermuten kann, dass die Bewehrung an den Schnittstellen im Bereich von 150 bis 200 kN versagt hätte. (genaueres konnte nicht ermittelt werden)

Außerdem entstand ein Schubriss vom Lasteinleitungspunkt bis zur Rahmen-innenecke. Zusätzlich hätte der Versuchskörper demnach auf Schub versagen können. Da sich allerdings die Biegerisse zum Zeitpunkt des entwickelten Schubrisses stärker auftaten ist ein versagen auf Schub demnach auszuschließen.

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Rissbilder Prüfkörper 1

Linke Rahmenecke

Entstehen von Biegerissen am Anschnitt der Rahmenecke

Erste Biegerisse im Rahmeneck-bereich

Riegel des Rahmen

Riss vorwiegend parallel zur Bügelbewehrung

Gleichmäßige Rissentwicklung im Rahmenriegel

Rechte Rahmenecke

Biegezugrisse im Knotenpunkt des Rahmen

Aufweitender Risse am Anschnitt

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Prüfkörper 2

Rissbilder nach aufbringen der Last F = 125 kNund Rissbilder Bruchzustand

  • Entstehung von Biegerissen, die einen eindeutigen Verlauf zur Rahmeninnenecke vorweisen.
  • Zusätzliche Rissentwicklung entlang der Bewehrung im Knotenpunkt.
  • Nach erreichen der Last von 134 kN, versagte die Rahmenecke. Maßgebend für das Versagen war der Übergreifungs-bereich der Biegezugbewehrung im Riegel des Rahmen.

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Versagensursache Prüfkörper 2

Abplatzung im Übergreifungsbereich

Im Bereich der Übergreifung resultieren, durch eine angedachte Fachwerkausbildung oberhalb und unterhalb der Bewehrung, hohe Querzug-spannungen im Beton. Beim überschreiten der max. aufnehmbaren Zugspannung des Betons, kam es dann zum Versagen des Betons im Bereich der Übergreifung.

  • Die Folgen waren:
  • starke Abplatzungen oberhalb der Bewehrung im Bereich der Übergreifung und
  • starke Verformungen des Gesamtsystems durch Verbund-verluste zwischen Beton und Betonstahl im Übergreifungsbereich

Querzugspannungen

Druckstrebe

Fs

Fs

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Rissbildentwicklung Prüfkörper 2

Linke Rahmenecke

Biegezugrisse im Knotenbereich zur Rahmen-innenecke zulaufend

Sammelbiege-risse am Rahmenecken-anschnitt

Riegel des Rahmen

Riss vorwiegend parallel zur Bügelbewehrung

Gleichmäßige Rissentwicklung im Rahmenriegel

Rechte Rahmenecke

Entstehen von Längsrissen parallel zur Bewehrungs-führung

Biegerisse am Anschnitt der Rahmenecke

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Prüfkörper 3

Rissbilder nach aufbringen der Last F = 115 kNund Rissbilder Bruchzustand

  • Entstehen von Biegerissen, die einen eindeutigen Verlauf zur Rahmeninnen-ecke vorweisen.
  • Entstehen von Spaltrissen in der Außen-ecke des Rahmens
  • Nach erreichen einer Last von 115 kN führten die Druckspannungen imUmlenkbereich der Bewehrung zu einemSpaltzugversagen des Betons. (siehe Schnitt A-A auf der folgenden Seite)

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Versagensursache Prüfkörper 3

Abplatzungen der übergreifenden Bewehrung im Umlenkbereich

Grundriss des Knotens

A

Schnitt A-A

σp

A

Querzugspannungen

Druckspannungen

Der sehr kleine Biegerollendurchmesser (4 Ø) der Bewehrung verursacht sehr hohe Umlenkkräfte und folgend hohe Druckspannungen im Umlenkbereich. Durch die geringe Umlenklänge wurden die Druckspannungen sehr stark konzentriert, sodass es zu einem Spaltzugversagen kam.

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Rissbildentwicklung Prüfkörper 3

Linke Rahmenecke

Biegezugrisse

im Knotenbereich zur Rahmeninnen-ecke zulaufend

F = 115 kN

F = 100 kN

F = 90 kN

Rechte Rahmenecke

Sammelrisse im Verankerungs-bereich der Bewehrung

F = 80 kN

F = 70 kN

F = 100 kN

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Vergleich der Prüfkörper untereinander
  • Zu Prüfkörper 1:
  • es wurde nicht bis zumBruchzustand belastet
  • bei 150 kN fing die die Bewehrung an zu fließen
  • Das Ersatzstreckgrenzen-verhältnis ist 1,165(Zugfestigkeit/Fließgrenze)
  • max F = 150 kN x 1,165 = 175 kN

175

134

115

[kN]

(Biegezugversagen)

(Übergreifungsversagen)

(Spaltzugversagen)

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Fazit

Grundlegend kann gesagt werden, dass bei stark beanspruchten Rahmeneck-konstruktionen der Biegerollendurchmesser möglichst groß gewählt werden sollte. Dabei gibt die DIN EN 1992-1-1 einen Mindestbiegerollendurchmesser Dminin Tabelle 8.1DE vor. Ein oberer Grenzwert von Dmin liegt nicht vor.

Die Wahl eines zu großen Biegerollendurchmessers führt allerdings zu sehr hohen Zugkräften in der Biegezugbewehrung (kleinere stat. Nutzhöhe) und folgend zu einer größeren erforderlichen Biegezugbewehrung im Rahmeneckbereich.

Bei der Verwendung von kleinen Biegerollendurchmessern, bei z.B. Wand/Decken-Anschlüsse, entstehen sehr große Umlenkkräfte, die zu einem Spaltzugversagen im Beton führen können.

Daher wird empfohlen diese Art der Bewehrungsführung (Knoten, Versuchskörper 3)nur bei schwach beanspruchten Bauteilen verwendet werden. Um einer Spaltzugversagen zu vermeiden sollten zusätzlichen Steckbügel zur Umfassung der Biegezugbewehrung eingebaut werden.

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Fazit

Das Übergreifen der Bewehrung in stark belasteten Bereichen (Riegel, Versuchs-körper 2) sollte, wenn es konstruktiv möglich ist, vermieden werden. Ansonsten empfiehlt es sich, die Bewehrung mit einem Winkelhakenzusätzlich zu verankern.

Die effektivste Methode ist das Übergreifen der Bewehrung im Knoten mit zusätzlicher Verankerungmit einem großen Biegerollendurchmesser(z.B. 20 Øsnach DIN EN 1992-1-1, Tabelle 8.1DE, (2011-01)).Die Rahmenkonstruktion verhält sich, auch bei großen Belastungen, wesentlich duktiler, da es weder zu einem Versagen der übergreifenden Bewehrung (Übergreifen im Umlenkbereich und eine zusätzliche Verankerung der Bewehrung) noch zu einem Spaltzugversagen (kleine Umlenkkräfte) kommt.

Bewehrungszeichnung Rahmenecke (anklicken)

Poster Rahmenecke (anklicken)

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