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Ermittlung des Rißverhaltens von Ortbetonpfählen

Allgemeine Angaben

Schlüsselwörter

Riß, Rißbreite, Rißbreitennachweis, Kreisquerschnitt, Bohrpfahl, DIN 1045-1, Photogrammetrie, n-Verfahren, Bemessungsdiagramme

Ziel des Vorhabens

Bei Rechteckquerschnitten ist ein Nachweis der Rißbreite relativ einfach zu führen. Die erforderliche Stahlspannung kann durch die Kenntnis der Form der Druckzone aus Gleichgewichtsbedingungen ermittelt werden. Da die Bewehrung bei Rechteckquerschnitten auch beim Vorhandensein mehrerer Lagen konzentriert auf der Zugseite liegt, kann davon ausgegangen werden, daß jeder im Zugbereich vorhandene Stahl näherungsweise die gleiche Spannung aufweist. Im Gegensatz dazu weisen umfangsbewehrte Kreisquerschnitte mehrere Besonderheiten auf. So kommt es auch bei einer linearen Spannungsverteilung in der Druckzone, wie sie üblicherweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit angesetzt wird, infolge der Krümmung der Oberfläche zu einer geometrischen Nichtlinearität. Dadurch weist mit der äußersten Faser nur ein ganz geringer Teil des Querschnitts die maximale Spannung auf. Das führt unter anderem dazu, daß im Vergleich zu einem Recheckquerschnitt mit gleicher statischer Nutzhöhe die Druckzone größer und der innere Hebelarm kleiner wird.

Durch die über den gesamten Umfang verteilte Bewehrung liegt ein Teil des Stahls auf der Zugseite und ein Teil als Druckbewehrung in der Druckzone. Gleichzeitig ist die Spannung im Stahl durch die Verteilung auf den Umfang in jeder Höhe des Querschnitts unterschiedlich. Während der Stahl, der am weitesten im gezogenen Bereich liegt, bereits plastiziert sein kann, werden Stähle, die nahe der Druckzone liegen, nahezu spannungslos sein. Da nur wenige Stähle die maximale Spannung aufweisen, ist die Gefahr der Plastifizierung unter Gebrauchslastniveau und damit das Entstehen breiter Risse wahrscheinlicher als bei vergleichbaren Rechteckquerschnitten.

Aufbauend auf dieser Fragestellung wurden innerhalb dieses Forschungsvorhabens umfangreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dabei konnten die im ersten Abschnitt aufgeworfenen Probleme weitestgehend praxisgerecht gelöst werden.

Material/Download

Hier können Sie die Excel-Arbeitsblätter zum Artikel "Rißbreitennachweis für Kreisquerschnitte" in Beton- und Stahlbetonbau 99, Heft 4 herunterladen. Zum Download benötigen Sie ein ein Passwort, das wir Ihnen gegen eine kostenlose Registrierung per Mail zusenden.

Rechenhilfen (xls-Arbeitsblätter) (ZIP-Datei, 578 kB) (14.4.2004)
Vorbemessungsdiagramme (PDF-Datei, 352 kB) (6.5.2004)

Erste Ergebnisse

Innerhalb der experimentellen Untersuchungen wurden drei Pfähle getestet, die alle den gleichen Durchmesser von 60 cm und die gleiche Betongüte aufwiesen, die eines C 30/37 bzw. eines B 35. Die Besonderheiten bei der Betonrezeptur entsprechend der gültigen Normengebung für Ortbetonpfähle wurden berücksichtigt. Die Pfähle wurden stehend in einer nichtsaugenden, formstabilen Schalung betoniert. Es erfolgte keine Verdichtung. Bis zu ihrem Transport in die Versuchshalle lagerten die Pfähle in der Schalung.

Die drei Pfähle unterschieden sich in ihrem Bewehrungsgehalt. Als Parameter wurde, ausgehend von der Mindestlängsbewehrung entsprechend ZTV-K 96, der Bewehrungsgehalt erhöht. Der Längsbewehrungsgrad betrug beim zweiten Pfahl das 1,75-fache und beim dritten Pfahl das 2,5-fache der Mindestlängsbewehrung. Durch den Vierpunkt-Biegeversuch ist ein hochgradig querkraftbeanspruchter Außenbereich vorhanden. Somit war eine Erhöhung der normalerweise ausreichenden Querkraftbewehrung in diesen Bereichen erforderlich. Weiterhin wurde die Querkraftbewehrung als geschlossene Rundbügel und nicht als Wendel ausgebildet.

Die Prüfung der Pfähle begann bei einem Betonalter von 72 Tagen. Zu diesem Zeitpunkt kann davon ausgegangen werden, daß keine wesentliche Nacherhärtung mehr stattfindet. Die Bohrpfähle wurden im Vierpunkt-Biegeversuch belastet, also unter reiner Momentenbeanspruchung ohne Normalkraft. Zwischen den Lasteintragungspunkten wurden Dehnmeßstreifen über die gesamte Länge angeordnet. An zwei Stellen zwischen beiden Lasteinleitungspunkten wurden zusätzlich über die gesamte Balkenhöhe Dehnmeßstreifen geklebt. An der Unterseite des Balkens wurden über die gesamte Länge zwischen den Belastungspunkten Wegaufnehmer angebracht. In Längsrichtung wurde an drei Stellen durch induktive Wegaufnehmer die Durchbiegung abgegriffen. Parallel dazu erfolgte in ausgewählten Objektbereichen eine photogrammetrische Verformungs-, Dehnungs- und Rißmessung durch das Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU Dresden. Zusätzlich wurden die Rißentwicklung und die Rißbreiten in Abhängigkeit von der jeweiligen Laststufe protokolliert. Parallel zur Prüfung der Pfähle wurden eine Reihe von Betonuntersuchungen durchgeführt. Je Pfahl waren das im einzelnen die Ermittlung der einaxialen Druckfestigkeit, des E-Moduls und der Querdehnzahl sowie der Biegezugfestigkeit. Aus den Prüfkörpern (Zylinder) wurde eine mittlere Betonfestigkeit ßc = fcm = 39 N/mm² ermittelt.

Innerhalb der theoretischen Untersuchungen wurden in dieser Forschungsarbeit sowohl der Grenzzustand der Tragfähigkeit als auch der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit bezüglich der geltenden Normen im Vergleich zu den Versuchsergebnissen betrachtet.

Zuerst wurde der Grenzzustand der Tragfähigkeit untersucht. Dazu werden die Bemessungswerte entsprechend DIN 1045:1988-07 bzw. DIN 1045-1: 2001-07 ermittelt. Zusätzlich wurde von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, entsprechend DIN 1045-1:2001-07 die zum gedrückten Rand hin abnehmende Druckzonenbreite zu berücksichtigen. Die Bemessungswerte wurden mit den Versuchsergebnissen verglichen. Dabei wurde zuerst auf die erzielten Lasten und anschließend auf die dazugehörigen Verformungen und Nullinienlagen eingegangen. Es kann festgestellt werden, daß die ermittelten Versuchswerte mit beiden Vorschriften ausreichend zuverlässig beschrieben werden können. Hierbei ist die Verwendung des Formfaktors entsprechend DIN 1045-1:2001-07 zwar empfehlenswert, jedoch nicht zwingend notwendig.

Als nächstes wurde der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit untersucht. Es wurde auf die Ermittlung der Nullinienlage und der Spannungen im Gebrauchszustand eingegangen und die rechnerische Ermittlung der Rißbreiten entsprechend der jeweiligen Norm vorgestellt. Es kann festgestellt werden, daß die Nullinienlage bei Kreisquerschnitten ausreichend genau mit dem n-Verfahren beschrieben werden kann. Bezüglich der rechnerisch ermittelten Randspannungen kann ebenfalls festgestellt werden, daß das n-Verfahren hinreichend genaue Ergebnisse liefert. Dabei hat sich herausgestellt, daß für die Berechnung der Spannungen im Kurzzeitversuch für das Verhältnis der E-Moduli von Stahl und Beton der Faktor n = 7, für die Berechnung realer Bauwerke sowie der Rißbreiten der Faktor n = 10 anzusetzen ist. Weiterhin kann festgestellt werden, daß die berechneten mit den gemessenen Rißbreiten hinreichend genau übereinstimmen. Grundsätzlich können die Rißbeziehungen somit auch auf Kreisquerschnitte angewandt werden. Eine bessere Anpassung der rechnerischen Grundlagen zur Ermittlung der Rißbreiten ist Gegenstand eines folgenden Forschungsvorhabens.

Abschließend kann festgestellt werden, daß für den konkreten Fall der vorwiegenden Biegebeanspruchung, die Rißbreitenbeschränkung für die Bemessung der Bewehrung in jedem Fall maßgebend wird. In Einzelfällen kann es vorkommen, daß die eingelegte Mindestbewehrung für die Begrenzung der Rißbreite nicht ausreichend ist. Die im Abschlußbericht bereitgestellten Bemessungsdiagramme liefern für die konkret untersuchten Geometriebedingungen ausreichend genaue Lösungen. Perspektivisch sollen diese Bemessungshilfsmittel um weitere Diagramme ergänzt werden, die zusätzliche praxisrelevante Geometrien berücksichtigen, um auch für diese Fälle sichere Aussagen treffen zu können. Weiterhin soll ein Berechnungsschema für computergestützte Anwendungen bereitgestellt werden.

Zusammenfassung

Der Bericht ist vor allem zur praktischen Bewertung von konkreten Aufgabenstellungen bei Kreisquerschnitten wie z.B. Bohrpfählen gedacht. Durch diese Arbeit kann mit vertretbarem Aufwand festgestellt werden, ob für den jeweilig untersuchten Querschnitt eine Rißgefährdung im Gebrauchslastzustand vorliegt oder nicht und ob im gegebenen Fall zusätzliche Maßnahmen zur Rißsicherung erforderlich sind. Bei der Untersuchung der Probleme wird zwischen beiden Fassungen der Stahlbetonnormen (alt und neu) unterschieden und somit werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede herausgearbeitet sowie etwaige Konsequenzen aufgezeigt. Innerhalb dieser Forschungsarbeit wurden sowohl der Grenzzustand der Tragfähigkeit als auch der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit bezüglich der geltenden Normen im Vergleich zu den Versuchsergebnissen untersucht. Es kann hinsichtlich des Grenzzustands der Tragfähigkeit festgestellt werden, dass die ermittelten Versuchswerte mit beiden Vorschriften ausreichend zuverlässig beschrieben werden können. Hierbei ist die Verwendung des Formfaktors der die zum Bauteilrand hin abnehmende Druckzonenbreite berücksichtigt (siehe DIN 1045-1:2001-07), zwar empfehlenswert, jedoch nicht zwingend notwendig.

Hinsichtlich des Grenzzustands der Gebrauchstauglichkeit kann festgestellt werden, dass die Nulllinienlage bei Kreisquerschnitten ausreichend genau mit dem n-Verfahren beschrieben werden kann. Bezüglich der rechnerisch ermittelten Randspannungen kann ebenfalls festgestellt werden, daß das n-Verfahren hinreichend genaue Ergebnisse liefert. Dabei hat sich herausgestellt, daß für die Berechnung der Spannungen im Kurzzeitversuch für das Verhältnis der E-Moduli von Stahl und Beton der Faktor n = 7, für die Berechnung realer Bauwerke sowie der Rißbreiten der Faktor n = 10 anzusetzen ist. Weiterhin kann festgestellt werden, dass die beobachteten mit den gemessenen Rißbreiten hinreichend genau übereinstimmen. Grundsätzlich können die Rißbeziehungen somit auch auf Kreisquerschnitte angewandt werden. Eine bessere Anpassung der rechnerischen Rißgrundlagen ist Gegenstand weiterer Forschungsvorhaben.

Abschließend kann festgestellt werden, daß für den konkreten Fall, der vorwiegenden Biegebeanspruchung, die Rißbreitenbeschränkung für die Bemessung der Bewehrung in jedem Fall maßgebend wird. In Einzelfällen kann es vorkommen, daß die eingelegte Mindestbewehrung für die Begrenzung der Rißbreite nicht ausreichend ist. Die in diesem Bericht bereitgestellten Bemessungsdiagramme liefern für die konkret untersuchten Geometriebedingungen ausreichend genaue Lösungen.

Veröffentlichungen

  • Wiese, H.; Curbach, M.; Speck, K.; Weiland, S.; Eckfeldt, L.; Hampel, T.: Rissbreitennachweis für Kreisquerschnitte. In: Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004), H. 4, S. 253-261 – doi:10.1002/best.200490092
  • Curbach, M.: Die Grundlagen der Rissbreitenbeschränkung in DIN 1045-1. In: Zilch, K. (Hrsg.): 8. Münchener Massivbau-Seminar 2004, Forschung, Entwicklungen und Anwendungen, 29./30.4.2004, TU München. Springer, VDI Verlag, S. 77-87
  • Wiese, H.; Curbach, M.; Speck, K.; Weiland, S.; Hampel T.: Rißverhalten von Kreisquerschnitten. In: kid 2: Rissbreitennachweise an Stahlbetonbauteilen. Schriftenreihe Konstruktiver Ingenieurbau Dresden, Heft 2, Technische Universität Dresden, D-01062 Dresden: Eigenverlag, 2004, S. 5-64
  • Curbach, M.; Eckfeldt, L.; Speck, K.: Kapitel 11 in: Heft 525 des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton. Berlin : Beuth-Verlag, 2003
  • Curbach, M.; Wiese, H.; Weiland, S.; Speck, K.; Hampel T.: Ermittlung des Rißverhaltens von Kreisquerschnitten. Abschlußbericht an die Deutsche Einheit Fernstraßenplanungs- und -bau GmbH (DEGES) und das Sächsische Staatsministerium für Wirtschaft und Arbeit (SMWA), Lehrstuhl für Massivbau, TU Dresden, 2003
  • Urbank, B.; Wange, G.; Curbach, M.; Wiese, H.; Weiland, S.; Hampel, U; Speck, K.; Hampel T.: Vorbereitende Untersuchungen zur Ermittlung des Rißverhaltens von Ortbetonpfählen. In: Jahresmitteilungen 2002. Schriftenreihe des Instituts für Tragwerke und Baustoffe, TU Dresden, Heft 18, 2002, S. 167–176
  • Curbach, M.; Tue, N.; Eckfeldt, L.; Speck, K.: Zum Nachweis der Rissbreitenbeschränkung gemäß DIN 1045-1. In: DAfStb, Heft 525: Erläuterungen zu DIN 1045-1. Teil 2, Autorenbeiträge. Berlin : Ernst & Sohn, 2001, S. 190-198