Querkrafttragverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung – Entwicklung einer konsistenten experimentellen, analytischen und numerischen Charakterisierungsmethodik

• Antragsteller: Professor Dr. Rostislav Chudoba; Professor Dr.-Ing. Martin Claßen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420545423

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Erforschung des Querkrafttragverhaltens bildet seit Mitte des 20. Jahrhunderts einen Forschungsschwerpunkt im Massivbau. Trotz erheblicher Anstrengungen gibt es kein im Stand der Forschung einheitliches Modell, welches das komplexe Verhalten von Stahlbetonbauteilen unter Querkraftbeanspruchung vollständig beschreibt. Das Hauptziel dieses Projekts war die Entwicklung eines kombinierten numerischen und analytischen Rahmens zur Beschreibung des Querkraftverhaltens von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung. Das Projekt zielte darauf ab, sowohl analytische als auch numerische Modellierungsansätze abzuleiten, um ein Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Berechnungseffizienz zu erreichen. Umfassende experimentelle Untersuchungen wurden an 22 Bauteilversuchen durchgeführt, wobei verschiedene Parameter systematisch variiert wurden. Modernste Messtechnik, einschließlich digitaler 3D-Bildkorrelation (DIC), wurde eingesetzt, um Schubrisse und Verformungsfelder detailliert zu messen. Es wurde ein automatischer Algorithmus zur Risserkennung entwickelt, der die Risslokalisierung und -erkennung verbessert. In gesonderten Versuchen wurden Lastabtragsmechanismen wie Rissreibung und Dübelwirkung untersucht und quantifiziert, was zu modifizierten Modellen für eine bessere Vorhersage führte. Weiter wurde die Shear Crack Propagation Theory (SCPT) entwickelt, welche die wesentlichen Auswirkungen des Querkraftabtrages erfasst. Die SCPT wurde anhand von Versuchsergebnissen validiert, die eine gute Übereinstimmung zeigten und somit detaillierte Einblicke in das Querkrafttragverhalten ermöglichten. Ausgehend von den Ergebnissen des Vorhabens lässt sich festhalten, dass die entwickelten Modelle und Methoden die Bewertung und Vorhersage des Querkrafttragverhaltens sowie der maximalen Querkrafttragfähigkeit in Stahlbetonbauteilen verbessern und eine solide Grundlage für zukünftige Untersuchungen darstellen. Weiter wurden neue Forschungsfragen identifiziert, die in zukünftigen Vorhaben zu klären sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Fictitious Rough Crack Model (FRCM): A Smeared Crack Modelling Approach to Account for Aggregate Interlock and Mixed Mode Fracture of Plain Concrete. Materials, 13(12), 2774.
  Ungermann, Jan; Adam, Viviane & Classen, Martin
  
• Shear Crack Propagation Theory (SCPT) – The mechanical solution to the riddle of shear in RC members without shear reinforcement. Engineering Structures, 210, 110207.
  Classen, Martin
  
• Mixed mode criterion for discrete crack propagation through RC shear zones, in: Júlio, E.; Valença, J.; Louro, A. S. (Hrsg.): Concrete Structures: New Trends for Eco-Efficiency and Performance: Proceedings of the fib Symposium 2021 held online from Lisbon, Portugal, 14-16 June 2021, (2021).
  Seemab, F.; Baktheer, A.; Hegger, J. & Chudoba, R.
  
• Shear Response of Members without Shear Reinforcement—Experiments and Analysis Using Shear Crack Propagation Theory (SCPT). Applied Sciences, 11(7), 3078.
  Schmidt, Maximilian; Schmidt, Philipp; Wanka, Sebastian & Classen, Martin
  
• On the existence of the center of rotation around a shear crack; numerical inspection of digital image correlation measurements, in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. (Hrsg.): Concrete Innovation for Sustainability. fib International Congress, (2022), digital proceedings.
  Seemab, F.; Schmidt, M.; Baktheer, A.; Hegger, J. & Classen, M.
  
• Automated detection of propagating cracks in RC beams without shear reinforcement based on DIC-controlled modeling of damage localization. Engineering Structures, 286, 116118.
  Seemab, Fahad; Schmidt, Maximilian; Baktheer, Abedulgader; Classen, Martin & Chudoba, Rostislav
  
• Evaluation of FRP-Reinforced Concrete Members without Shear Reinforcement - Analysis using Shear Crack Propagation Theory (SCPT), in: Proceedings of 11th International Conference on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering (CICE 2023). 11th International Conference on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering (CICE 2023), Rio de Janeiro, Brazil, (2023).
  Fattahi, M.; Schmidt, M.; Bosbach, S.; Noël, M.; Hegger, J. & Classen, M.
  
• Neue Perspektiven auf das Querkrafttragverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung. Beton- und Stahlbetonbau, 118(7), 455-466.
  Schmidt, Maximilian; Seemab, Fahad; Chudoba, Rostislav & Claßen, Martin
  
• Evaluation of FRP-Reinforced Concrete Members without Shear Reinforcement: Analysis Using Shear Crack Propagation Theory. Journal of Composites for Construction, 28(6).
  Fattahi, Morvarid; Schmidt, Maximilian; Bosbach, Sven; Noël, Martin; Hegger, Josef & Classen, Martin
  
• Large-scale combined torsional and axial loading system (TorAx) – A new perspective on multiaxial testing of fracture and stress transfer in plain and reinforced concrete. Engineering Structures, 302, 117391.
  Becks, Henrik; Schmidt, Maximilian; Bosbach, Sven & Classen, Martin