Zum Tragverhalten von UHPC unter Querkraftbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der ersten und zweiten Förderperiode wurden Versuche zum Verbundverhalten zwischen UHPC und darin eingebetteten gerippten Bewehrungsstäben durchgeführt (Pull-Out-Versuche). Bei kurzen Verbundlängen von 1,5 φ ergaben sich sehr hohe Verbundspannungen, die für Betonstahl bis zu etwa 81 N/mm² und für hochfesten gerippten Spannstahldraht bis zu etwa 54 N/mm² betrugen. Bei reduzierter Betondeckung c ≤ 2,5 φ wurde Spalten des Betons und zum Teil schlagartiges Verbundversagen beobachtet. Die Verbundfestigkeit wird bei Betonstahl bereits bei sehr kleinen Verschiebungen von 0,1 bis 0,2 mm erreicht. Für hochfesten gerippten Spannstahldraht, der gegenüber Betonstahl eine sehr viel kleinere bezogene Rippenfläche fR besitzt, ist das Verbundverhalten deutlich weicher. Die Spannungs-Rissöffnungs-Beziehung von faserbewehrtem UHPC wurde in mehreren Versuchsreihen für verschiedene Faserbetonmischungen an gekerbten Prismen ermittelt. Zum Teil wurden die Bruchflächen der Proben nach dem Versuch in Hinblick auf Faseranzahl und Faserorientierung optisch analysiert. Es zeigte sich, dass die Faserwirksamkeit der untersuchten Faserbetonmischungen ab einem Fasergehalt von etwa 1,0 Vol.-% nur noch unterproportional zum Fasergehalt wächst. Die geringere Effektivität hoher Fasergehalte wird offensichtlich durch die gegenseitige Beeinflussung der Fasern in ihrem Ausziehverhalten und – besonders bei sehr schlanken Fasern – die erschwerte Verarbeitbarkeit der Faserbetonmischung (Inhomogenität) verursacht. Zur Untersuchung des Verbundmechanismus der Fasern wurden eigens Pull-Out-Versuche an Einzelfasern, Faserreihen und Fasergruppen durchgeführt. Die Ergebnisse unterlagen starken Streuungen, vor allem bei kurzen Verbundlängen. Der Ausziehwiderstand der geneigten Fasern war im Allgemeinen höher als der der parallel zur Zugrichtung orientierten Fasern. Versagensart war in der Regel Faserauszug. Nur bei den Fasergruppen wurde bei großen Verbundlängen und großer Faserneigung vereinzelt Faserreißen beobachtet. Die an gemischt bewehrten Dehnkörpern (Stabstahl + Fasern) durchgeführten Zugversuche zeigten, dass bereits eine geringe Faserzugabe die Rissverteilung nachhaltig verbessert. Für hohe Fasergehalte wurden nur unwesentlich kleinere Rissabstände erhalten. Ursachen hierfür sind die mit zunehmendem Fasergehalt nur unterproportional anwachsende Faserwirksamkeit und die gleichzeitig mit der Faserwirksamkeit zunehmende Risskraft des Faserbetons, die durch Stabstahl und Fasern über Verbund in den Beton eingeleitet werden muss. Die in den Versuchen beobachtete Entwicklung der Rissabstände und Rissbreiten kann mit dem vorgestellten mechanischen Modell gut nachvollzogen werden. Die Versuche an scheibenförmigen Bauteilen zur biaxialen Druck-Zug-Festigkeit lieferten für die faserfreien, ausschließlich stabstahlbewehrten UHPC-Scheiben höhere Abminderungen der Tragfähigkeit als für die kombiniert bewehrten Proben. Die Abminderung ist bis etwa ε1 = 2 ‰ deutlich von der Größe der Zugdehnung abhängig und im Anschluss annähernd konstant. Als Ursache hierfür wird die mit zunehmender Dehnung (Rissöffnung) allmählich verloren gehende Kornverzahnung vermutet, die dann bei sehr großen Dehnungen nicht mehr zur Verfügung steht. Als untere Grenze der Druckfestigkeit bei großen Zugdehnungen kann aus den Versuchen etwa 0,5 fc,cyl für stabstahlbewehrten UHPC ohne Fasern und etwa 0,7 fc,cyl für stabstahlbewehrten UHPC mit Fasern abgeleitet werden. Das Trag- und Verformungsverhalten unter Biegebeanspruchung wurde an kombiniert bewehrten Biegebalken untersucht. Dabei wurden die Parameter Bauteilhöhe, Fasertyp, Fasergehalt, Stabstahltyp und Stabstahlgehalt variiert. Fasern verhinderten ein sprödes, explosives Versagen und trugen zur Verbundsicherung bei. Bei den Versuchen zeigten sich mit steigendem Fasergehalt ein höheres Rissmoment, eine ausgeprägtere Zugversteifung und eine höhere Maximallast. Allerdings konnte bei hohem Fasergehalt eine Begünstigung der Lokalisierung der Verformungen beobachtet werden, sodass die Verformungsfähigkeit geringer war. Der Stabstahltyp hatte gemäß der unterschiedlichen Materialeigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit Auswirkungen auf das Verbundverhalten und die Rissbildung. Die Querkrafttragfähigkeit von UHPC-Balken wurde an Balken mit verschiedener Querkraftbewehrung experimentell untersucht. Risse infolge frühen Zwangs (Schwinden und Temperaturdifferenz) haben auf die Tragfähigkeit keinen Einfluss. Die Zugabe von Fasern bewirkt eine Abnahme der Rissabstände und -breiten. Mit Zunahme des Querkraftbewehrungsgrades nimmt der Winkel zwischen Rissen und Balkenachse zu. Die Zugabe von Fasern steigert die Tragfähigkeit der Balken. Balken mit kombinierter Bewehrung erreichen folgerichtig die höchsten Traglasten. Nach Erreichen der Höchstlast war eine weitere Verformung der Balken möglich. Dabei zeigten die Balken mit Faserbewehrung eine größere Verformungsfähigkeit als die Balken ohne Faserbewehrung. Der steile Lastabfall nach Erreichen der Höchstlast führte auf ein nahezu konstantes Lastniveau, welches den Einfluss der Dübelwirkung der Längsbewehrung erkennen lässt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Fasern verstärktem Stahlbeton am Beispiel ultrahochfesten Betons. Teil 1: Rissmechanische Zusammenhänge. In: Beton- und Stahlbetonbau 104 (6), pp. 357–367, 2009
Leutbecher, Torsten; Fehling, Ekkehard
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/best.200900677) - Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Fasern verstärktem Stahlbeton am Beispiel ultrahochfesten Betons. Teil 2: Experimentelle Untersuchungen und Anwendungsbeispiele. In: Beton- und Stahlbetonbau 104 (7), pp. 406–415, 2009
Leutbecher, Torsten; Fehling, Ekkehard
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/best.200900679) - Versuche zum Biegetragverhalten von UHPC mit kombinierter Bewehrung. Forschungsbericht Fachgebiet Massivbau. Universität Kassel, Institut für konstruktiven Ingenieurbau
Stürwald, Simone
- Design for serviceability of ultra high performance concrete structures. In: Parra-Montesinos, G.; Reinhardt, H. W.; Naaman, A. E. (Ed.): High Performance Fiber Reinforced Cement Composites 6 (HPFRCC 6) (RILEM bookseries, Vol. 2), pp. 445–452, Springer; RILEM, Dordrecht, New York, 2012
Leutbecher, Torsten; Fehling, Ekkehard
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-94-007-2436-5_54) - Ein Näherungsverfahren zur Bemessung von UHPC für Biegung und Längskraft. In: Gebbeken, N.; Holzer, S.; Keuser, M. (Ed.): Festschrift zum 60. Geburtstag von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser. Universität der Bundeswehr (Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau, Universität der Bundeswehr), Heft 12/4), pp. 103–110, 2012
Fehling, Ekkehard; Leutbecher, Torsten
- Ultrahochfester Beton UHPC. In: Bergmeister, K.; Fingerloos, F.; Wörner, J.-D. (Ed.): Beton-Kalender 2013, pp. 117–239, Ernst & Sohn Verlag GmbH, Berlin, 2012
Fehling, Ekkehard; Schmidt, Michael; Walraven, Joost; Leutbecher, Torsten; Fröhlich, Susanne
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783433602591.ch9)
