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.
Reinforced concrete compression members enable optimum utilisation of the high compressive strength of concrete and also have favourable properties for structural engineering in terms of fire resistance as well as robustness and durability. The use of high-strength concrete and high reinforcement ratios provides several economical, aesthetic and sustainability advantages by reducing the required cross-sectional dimensions. Further benefits with regard to an accelerated construction progress, a high material quality and the possibilty of demolition and reuse are achieved by the prefabrication of the compression members. However, future optimisation of reinforced concrete compression members leads to configurations beyond the standardisation as well as new challenges regarding safe design and detailing. A background evaluation of current detailing rules reveals that these specifications are rarely supported by mechanical models representing the load-bearing behaviour. Therefore, the research objective is the development of experimentally validated models that are based on physical principles for the characterisation of the load-bearing capacity and the robustness of high-performance and prefabricated reinforced concrete compression members.
The approach for the differentiated determination of the component-specific effects on the compressive strength enables a safe ultimate load design of compression members taking into account high longitudinal and transverse reinforcement ratios. The studies show that the increase of the concrete compressive strength is of secondary importance for the ultimate load design, whereas it is even more important for the robustness design. Due to the increased brittleness of high-strength concretes, reinforced concrete compression members should meet defined robustness targets to ensure the resilience of the entire structure. The experimental, numerical and theoretical investigations performed to analyse the robustness show the high effectiveness of the transverse reinforcement in relation to the load capable in the residual state. A new engineering model reliably represents the robustness of reinforced concrete compression members and highlights the importance of adapted detailing rules. An additional parameter study allows the derivation of enhanced detailing rules, resulting in robust component behaviour even with high-strength concretes.
The prefabrication of reinforced concrete compression members results in complex joints with high demands on compressive force transmission, stiffness, tolerance compensation and the possibilty of future demolition and reuse. Experimental investigations conducted on columns using high reinforcement ratios indicate that buttjointed reinforced concrete compression members do not achieve the ultimate load of a monolithic compression member despite the use of steel plates for transverse strain restraint. Using three-dimensional meso- and macro-scale finite element models, relative displacements between the longitudinal bars and the surrounding concrete in the joining region can be identified in accordance with the experimental data. The bond reaction results in a redistribution of compressive stresses from the longitudinal reinforcement to the concrete. While these stress redistributions can be absorbed in the concrete core due to effective confinement by the transverse reinforcement and steel plates, the unconfined concrete compressive strength is reached with increasing compressive stresses in the concrete cover. Once the initial spalling and the associated load decrease can no longer be compensated by the longitudinal reinforcement and the concrete core, a premature failure of the joined compression member occurs. However, the numerical simulations also show that a high utilisation of the monolithic comparative ultimate load can be achieved by carefully detailing the joint.
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