Zusammenwirken von Faser‐ und Betonstahlbewehrung bei biegebeanspruchten UHPC‐Bauteilen

Abstract

Ultrahochfester Beton (UHPC) bietet ein großes Potenzial hinsichtlich nachhaltiger Lösungen für Instandsetzungen und Verstärkungen von bestehenden Tragwerken, aber auch für ressourcensparende Neubauten. In diesem Zusammenhang ist eine Kombination zwischen Mikrostahlfasern und gewöhnlicher Betonstahlbewehrung sinnvoll, da sich Synergieeffekte bezüglich der Rissbreitenbegrenzung und des Lastabfalls bei Verformungslokalisation erzielen lassen. Zur Bestätigung dieser Einschätzung wurden Biegeversuche mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien und Bewehrungskombinationen durchgeführt. Dank moderner Messmethoden konnte hierbei die Rissbreitenentwicklung über den gesamten Versuchsablauf, auch bei sehr feinen Rissen, kontinuierlich erfasst werden. Die Analyse der Versuchsergebnisse zeigt, dass bei der Ermittlung der Biegetragfähigkeit des Querschnitts die volle Wirkung der Betonstahl‐ (Fließen) und der Faserbewehrung (Nachrisszugfestigkeit) addiert werden dürfen, unabhängig vom Fasergehalt. Auf Basis der gewonnen Messdaten wurde außerdem ein vereinfachter Ansatz zur Berechnung der Rissbreiten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit abgeleitet.

Die UHFB‐Biegedatenbank

“…Versuche an vorgespannten Biegeträgern finden sich in [16,40,42,54,57,58,62]. In einigen Studien wurden auch stabstahlbewehrte Biegeträger aus faserfreiem UHFB (Stahlbeton) [15, 17, 18, 24-26, 28, 41, 46, 49, 55-57, 59, 62] oder Biegeträger aus rein stahlfaserbewehrtem UHFB ohne Längsbewehrung (Faserbeton) [19,29,43,46,51,53] getestet.…”

“…Daher werden für diese Studien die verfügbaren Nachrissbiegezugfestigkeiten f cftm,fl , die mittels 3-Punkt-oder 4-Punkt-Biegeversuch an gekerbten oder ungekerbten Prismen unterschiedlicher Geometrie bestimmt wurden, mit dem für UHFB etablierten Faktor β = 0,37 [67,68] in f cftm überführt. -Für einige Bauteilversuche aus [54] sowie sämtliche Bauteilversuche aus [19,26,49] sind keine experimentell ermittelten Nachrissbiegezugfestigkeiten von Begleitproben dokumentiert, sondern ausschließlich die aus den Versuchsergebnissen durch inverse Analyse nach [19,69,70] bestimmten zentrischen Nachrisszugfestigkeiten f cftm,IA angegeben. Diese werden für die Nachrechnung der Bauteilversuche mit f cftm gleichgesetzt (β = 1,0).…”

“…Die UHFB-Biegedatenbank umfasst gegenwärtig 205 Versuche aus 37 Studien zum Biegetragverhalten [6-8, 15-17, 19-29, 37-56] sowie 23 Versuche aus 9 weiteren Studien zum Querkrafttragverhalten [18,[57][58][59][60][61][62][63][64], bei denen Biegeversagen eingetreten ist. In den genannten Studien wurden Biegeträger mit näherungsweise rechteckförmigem Querschnitt (Kompaktquerschnitt, kurz "K-QS") [6, 7, 15, 17, 19-21, 23-26, 28, 29, 37-41, 43, 44, 46-49, 51-53, 55, 59-62, 64], mit gegliedertem Querschnitt (I-Querschnitt, kurz "I-QS") [16,18,19,22,27,42,54,57,58,63] oder mit Plattenbalkenquerschnitt (T-Querschnitt, kurz "T-QS") [8,45,50,56] untersucht. Gegenstand der Betrachtung waren u. a. der Einfluss der Querschnittshöhe [24,48,51,52,54,58], der Querschnittsbreite [48,50,52,58], der Betondruckfestigkeit [6,15,23,26,37,44,47,48], der Fasergeometrie [6,…”

“…Die "kritische" Rissbreite kennzeichnet bei rein stahlfaserbewehrten Querschnitten das Maximum der Fasertragwirkung im Biegeriss und bei kombiniert bewehrten Querschnitten den Beginn der sogenannten Verformungslokalisierung, bei der sich die anschließende Verformungszunahme auf einen einzigen Riss, den Bruchquerschnitt, konzentriert. Die Verformungslokalisierung tritt bei kombiniert bewehrten Querschnitten als weiterer möglicher Versagensmodus zu den bekannten Versagensformen Biegezugversagen und Biegedruckversagen hinzu und wurde in zahlreichen Versuchen an kombiniert bewehrten Biegeträgern aus normal-, hoch-und ultrahochfestem Beton beobachtet [8,[10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29]. Eine ausführliche Diskussion dieses Phänomens findet sich in [2].…”

Zur Biegebemessung kombiniert bewehrter UHFB‐Biegeträger

“…Der Rissbildungsprozess und damit der Rissabstand werden bei kombiniert bewehrten Bauteilen maßgeblich vom unterschiedlichen Verbundverhalten der konventionellen Bewehrung und der Stahlfasern bestimmt. Im Gebrauchszustand stellen sich aufgrund der kurzen Verbundlängen der Stahlfasern sehr kleine Rissabstände und Rissbreiten ein [18–20, 31]. Erst mit dem Fließen bzw.…”