Werkstoff- und Rechenmodell zur Bestimmung der Rissbreite und Mindestbewehrung in dicken Betonbauteilen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Reinhard Nothnagel
• Mitantragsteller: Professor Dr.-Ing. Nguyen Viet Tue
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 208209010

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Hintergrund dieses Forschungsprojekts waren die aktuellen Regelungen der nationalen und internationalen Betonbaunormen für die Festlegung der Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite, die sich auf sehr vereinfachte Ingenieurmodelle zur Aufnahme einer empirisch modifizierten Risskraft stützen. Diese pragmatische Vorgehensweise bildet aber nicht das tatsächliche Bauteilverhalten ab. Schäden - insbesondere Wasserdurchlässigkeit bei WU-Konstruktionen - sind deshalb keine Seltenheit. Im Rahmen dieses Projekts sollten deshalb die verfügbaren Werkstoffmodelle für erhärtenden Beton verbessert werden, insbesondere hinsichtlich des Einflusses einer möglichen Vorschädigung durch die Spannungsgeschichte selbst. Zum anderen sollte ein Ingenieurmodell zur Festlegung der Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite unter Berücksichtigung des tatsächlichen Bauteilverhaltens entwickelt werden. Mit umfangreichen experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der Einfluss einer Vorschädigung durch die erhärtungsbedingte Spannungsgeschichte selbst von untergeordneter Bedeutung ist. Demgegenüber werden die Rissgefahr und die Intensität der Rissbildung erheblich von den viskoelastischen Eigenschaften beeinflusst. Mit dem entwickelten rheologischen Modell und dessen Implementierung in Berechnungsmodelle kann dieser Einfluss nun für die Viskoelastizität unter Zugbeanspruchung deutlich zutreffender berücksichtigt werden. Darüber hinaus wurde mit dem Ingenieurmodell auf Grundlage der Verformungskompatibilität ein Werkzeug geschaffen, welches die Festlegung der Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite unter mechanisch konsistenter Berücksichtigung des tatsächlichen Bauteilverhaltens ermöglicht. Aus Sicht der Projektbeteiligten sind die Ziele des Forschungsprojekts erreicht worden. Zukünftige Fragen, die mit heutigem Wissenstand gestellt werden können, betreffen vor allem die Größe der dauerhaft im erhärtenden Beton verbleibenden Zwangbeanspruchungen aus der Erhärtungsphase. Dies betrifft sowohl die Quantifizierung der tatsächlichen Relaxation der Zugbeanspruchungen im weiteren Verlauf sowie Modelle zur Bestimmung des Abbaus von Zwangbeanspruchungen infolge Rissbildung. Damit könnte das bisherige Ingenieurmodell auf eine Überlagerung mit weiteren Zwangbeanspruchungen, die während der Nutzung auftreten, ausgeweitet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Consideration of Viscoelasticity in Time Step FEM-Based Restraint Analyses of Hardening Concrete. In: Journal of Modern Physics, 2013, SCIRP
  Schlicke, D.; Tue, N. V.
  
• Constitutive law for the viscoelastic behaviour of early age concrete in massive structures. In: RILEM Proceedings PRO 91. Kefei Li, Peiyu Yan, Rongwei Yang (ed.): RILEM International Symposium on Concrete Modelling - CONMOD 2014. 12.-14.10.2014, Beijing, China, ISBN 978-2-35158-139-1, S. 183-189
  Hermerschmidt, W.; Budelmann, H.
  
• Zwangbeanspruchungen und Rissbreitenentwicklung im Nutzungszeitraum unter Berücksichtigung der erhärtungsbedingten Spannungsgeschichte. In: Nachhaltig Bauen mit Beton: Werkstoff und Konstruktion (2. Grazer Betonkolloquium). 25.-26.09.2014, TU Graz
  Turner, K.; Schlicke, D.
  
• Creep of early age concrete under variable stress. In: Mechanics and Physics of Creep, Shrinkage, and Durability of Concrete and Concrete Structures (CONCREEP-10). 21.-23.09.2015, TU Wien, ASCE Library, 2015
  Hermerschmidt, W.; Budelmann, H.
  
• Decrease of tensile creep response under realistic restraint conditions in structures. In: Mechanics and Physics of Creep, Shrinkage, and Durability of Concrete and Concrete Structures (CONCREEP-10). 21.-23.09.2015, TU Wien, ASCE Library, 2015
  Schlicke, D.; Turner, K.; Tue, N. V.
  
• Materialmodelle zur gekoppelten Beschreibung der Wärmefreisetzung, Festigkeit und Viskoelastizität erhärtenden Betons. In: 19. Internationale Baustofftagung (ibausil), 16.-18.09.2015, Bauhaus-Universität Weimar
  Hermerschmidt, W.; Budelmann, H.
  
• Minimum reinforcement for crack width control in restrained concrete members considering the deformation compatibility. In: Structural Concrete, 16, 2015: 221-232
  Schlicke, D.; Tue, N. V.
  
• Serviceability and Stability of Unreinforced Mass Concrete Structures – EC 2 Compatible Design Concept Derived from Comprehensive FE-Studies on Real Structural Behaviour. In: Mechanics and Physics of Creep, Shrinkage, and Durability of Concrete and Concrete Structures (CONCREEP-10). 21.-23.09.2015, TU Wien, ASCE Library, 2015
  Heinrich, P. J.; Schlicke, D.; Tue, N. V.
  
• Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite unter Berücksichtigung des tatsächlichen Bauteilverhaltens. Teil 1: Verformungsbasiertes Bemessungsmodell und Anwendung für Bodenplatten. Teil 2: Anwendung für Wände auf Fundamenten und Abgrenzung zum Risskraftnachweis nach EC2. In: Beton- und Stahlbetonbau. Volume 111, 2016 Pages 120-131; 210-220
  Schlicke, D.; Tue, N. V.