Entwicklung der Rissbreiten in Stahlbetonbauteilen unter Betriebsbeanspruchungen

Die Rissbildung in Stahlbetonbauteilen mit gerippter Bewehrung ist bereits seit den 1960er Jahren Gegenstand intensiver Forschungen. Grundsätzlich gilt: Für ein funktions-tüchtiges und langlebiges Bauwerk müssen die Rissbreiten begrenzt werden. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge und auftretender Streuungen ist die Berechnung von Rissbreiten allerdings bis heute mit hohen Unsicherheiten verknüpft. Zusätzlich beeinflussen zeitabhängige Effekte – wie beispielsweise das Betonkriechen, Verbundkriechen und Betonschwinden – die Rissbildung und die Rissbreiten über die Nutzungsdauer eines Bauwerks.
Die Basis der vorliegenden Arbeit bildet eine umfassende Literaturrecherche mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Grundlagen der Rissbildung und des Werkstoffverhaltens von Stahlbeton unter zeitabhängigen Aspekten sowie Streuungen.
Das Rissverhalten zugbeanspruchter Stahlbetonbauteile unter Kurz- und Langzeitbeanspruchung wird mit zwei aufeinander aufbauenden Modellen – dem Rheologischen Modell (RM) und dem Crack Propagation Model (CPM) – analysiert. Beide Modelle werden mit experimentellen Versuchen und einer Rissbreiten-Datenbank validiert und bieten die Möglichkeit zeitveränderliche Einflüsse isoliert zu untersuchen, bevor diese gekoppelt betrachtet werden. Mit diesem Vorgehen werden teilweise gegenläufige Einflüsse zeitveränderlicher Phänomene quantifiziert und in einem Produktansatz überführt. Dieser Ansatz ermöglicht eine genaue Berechnung der zeitlichen Rissbreitenentwicklung unter Betonkriechen, Verbundkriechen und Betonschwinden und kann auf bestehende normative Ansätze übertragen werden. Zudem erfolgt eine Analyse der Streubreite von Rissabständen und Rissbreiten sowie des Einflusses von Schädigungen in Form von Überlasten.
Um den Verlauf der Rissbreiten im Bauteilinneren näher zu untersuchen werden numerische Untersuchungen an einem rotationssymmetrischen FE-Modell mit diskreter Modellierung der Betonstahlrippen durchgeführt. Es zeigt sich ein nahezu qualitativ gleichbleibender Rissbreitenverlauf, der durch zeitabhängige Faktoren unwesentlich beeinflusst wird.
Weiterführende Untersuchungen zur Rissbildung und den Rissbreiten erfolgen anhand eigener zentrischer Zugversuche unter Kurz- und Langzeitbelastung. Die Vergrößerung der Rissbreiten infolge Langzeitbelastung wird bis zu einem Jahr erfasst und weist eine gute Übereinstimmung mit den entwickelten Modellen (RM und CPM) auf. Um die Risse weitergehend zu untersuchen, werden diese unter Last mit einem eingefärbten Epoxidharz verpresst, wobei die Versuchskörper nach dem Erhärten durchgesägt werden. Auf Basis dessen wird ein Ansatz zur Beschreibung des Rissbreitenverlaufs von der Bewehrung zur Bauteiloberfläche entwickelt, der in bestehende Berechnungsansätze integriert werden kann und auch für großmaßstäbliche Zugversuche mit großen Betondeckungen eine hohe Übereinstimmung aufweist.
Abschließend erfolgt eine kompakte Aufstellung der entwickelten Ansätze zur Berechnung der Streubreite, des Rissbreitenverlaufs und der zeitlichen Entwicklung der Rissbreiten.