Torsionstragverhalten von stahlfaserbewehrten Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbalken

Oettel, Vincent, Viktor

doi:10.24355/dbbs.084-201606210916-0

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Torsionstragverhalten von stahlfaserbewehrten Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbalken

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Das Torsionstragverhalten von mit Stahlfasern bewehrten Beton-, Stahlbeton- und zum Teil auch Spannbetonbalken ist bereits seit den 1970er Jahren Gegenstand internationaler Forschungen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der Stahlfasern das Torsionsrissmoment, die Torsionssteifigkeit nach Rissbildung sowie das maximal aufnehmbare Torsionsmoment positiv beeinflusst werden. Auf Grundlage der Ergebnisse wurden teilweise auch Berechnungsgleichungen aufgestellt. Eine systematische Auswertung aller in der Fachliteratur vorhandenen Versuchsergebnisse sowie die Ableitung eines allgemeingültigen Berechnungsansatzes erfolgten jedoch bisher nicht. Aus diesem Grund enthalten aktuelle Regelwerke keine Bemessungsgleichungen zur Berücksichtigung der Stahlfasertragwirkung beim Torsionsnachweis. Im Zuge der Arbeit werden zunächst die wichtigsten Grundlagen des Stahlfaserbetons und der Torsionstheorie zusammengestellt. Hierauf aufbauend folgt eine Übersicht zum Stand der Forschung an stahlfaserbewehrten Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbalken unter Torsionsbeanspruchung. Im Weiteren wird anhand von eigenen Versuchen das Torsionstragverhalten von Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbalken mit Hohlkastenquerschnitt aus ultrahochfestem Faserbeton (UHPFRC) untersucht und analysiert. Die Untersuchungen zeigen, dass unter Verwendung von Stahlfasern ein höheres Torsionsrissmoment, eine höhere Torsionssteifigkeit nach Rissbildung, eine feinere Rissbildung sowie ein deutlich höheres Torsionsbruchmoment auftreten. Auf Grundlage dessen wird ein Ingenieurmodell entwickelt, mit dem die Versuchsergebnisse gut bis sehr gut nachvollzogen werden können. Zur Ableitung eines allgemeingültigen Bemessungsansatzes werden anschließend die in der Fachliteratur vorhandenen experimentellen Versuchsergebnisse an stahlfaserbewehrten Torsionsbalken in einer Datenbank zusammengefasst und systematisch ausgewertet. Hierbei zeigt sich, dass das entwickelte Ingenieurmodell auch auf andere Stahlfaserbetone und Querschnittsformen übertragen werden kann. Abschließend wird auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse ein praxisgerechtes Bemessungsmodell inklusive konstruktiver Regelungen vorgeschlagen, welches die Erfassung der Stahlfasertragwirkung beim Torsionsnachweis von stahlfaserbewehrten Stahlbeton- und Spannbetonbalken aus normal- und ultrahochfestem Beton ermöglicht.

The torsional behaviour of concrete beams, reinforced concrete beams and, partly, prestressed concrete beams reinforced with steel fibres has been subject to international research since the 1970s. Those experimental results have shown that the cracking torque, the torsional stiffness after cracking and the ultimate torque are positively influenced by steel fibres. To some extent, calculation equations have been proposed on the basis of the results. However, neither a systematic evaluation of all existing experimental results published in the technical literature nor a derivation of a general calculation approach has been carried out so far. Due to this, current design codes and guidelines lack equations which consider the load-bearing behaviour of the steel fibre in the torsional design. At the beginning of the work the most essential basics of steel fibre concrete and torsion theory are compiled. This is followed by an overview of the state of research on concrete beams, reinforced concrete beams and prestressed concrete beams reinforced with steel fibres under torsion. In addition to that, the torsional behaviour of concrete box girders, reinforced concrete box girders and prestressed concrete box girders made of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) is investigated and analysed on the basis of own experiments. The studies show that the use of steel fibres leads to a higher cracking torque, a higher torsional stiffness after cracking, a finer cracking and a significantly higher ultimate torque. Based on this, a calculation model is developed, which shows a good to very good correlation between the calculations and the experimental results. To derive a general design approach, the experimental results of steel fibre reinforced beams under torsion, which can be found in technical literature, are summarized in a database and systematically evaluated. It turns out that the developed calculation model can be applied to other steel fibre concretes and cross-sections. Based on the research results, a practical design model and detailing is proposed, which enables to consider the load-bearing behaviour of steel fibres during the torsional design of reinforced and prestressed concrete beams made of normal strength fibre reinforced concrete and ultra-high performance fibre reinforced concrete.