Spannungsbasierte Bemessung von Stahlbetontragwerken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Bischoff; Professor Dr.-Ing. Manfred Curbach
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559315176

Räumliche oder ebene Tragwerke mit gedrungener Geometrie können nicht auf der Basis von Schnittgrößen aus Balken-, Platten- oder Schalentheorien unter Ausnutzung materieller Nichtlinearität im Querschnitt bemessen werden. Eine alternative Bemessung auf Basis von mit finiten Elementen elastisch ermittelten Spannungen ist möglich, aber unwirtschaftlich. Der Bemessung mit Stabwerkmodellen sind insbesondere für räumliche Tragwerke und Zwangslastfälle sowie hinsichtlich der Automatisierung Grenzen gesetzt. Das Ziel des Vorhabens ist deshalb die Entwicklung eines spannungsbasierten, materiell nichtlinearen Bemessungskonzepts, um diese methodische Lücke zu schließen. Die Arbeitshypothese ist, dass die Berücksichtigung des nichtlinearen Verhaltens zu wirtschaftlicheren Bemessungsergebnissen führt als elastische spannungsbasierte Konzepte. Die methodische Idee besteht darin, die erforderliche Bewehrung in einer iterativen Abfolge nicht-linearer Berechnungen unter Berücksichtigung des materiell nichtlinearen Verhaltens des Betons und Stahls und deren Wechselwirkung in einer Art Wachstumsprozess zu generieren. Dabei wird im Rahmen des Rebar-Konzepts auch die Biegesteifigkeit der Bewehrung berücksichtigt, insbesondere um die für die Schubbewehrung wichtige Dübelwirkung abbilden zu können. Zweck des mechanischen Modells ist ausdrücklich nicht das Nachrechnen von Versuchen oder die detaillierte Modellierung komplexer Schädigungsvorgänge in Stahlbeton, sondern nur die Abbildung bemessungsrelevanter Phänomene. Dazu muss die Wechselwirkung zwischen Beton und Stahl im gerissenen Zustand unter Berücksichtigung der Biegesteifigkeit der Bewehrung möglichst einfach, aber für die Anforderungen einer Bemessungsaufgabe genügend genau modelliert werden. Es wird untersucht, nach welchen Kriterien Aussagen über die erforderliche Bewehrung (Bewehrungswachstum) abgeleitet und konkret formuliert werden können und welche aus strukturmechanischen Simulationen ableitbaren Größen dazu benötigt werden. Bei der algorithmischen Realisierung stehen Konvergenz, Effizienz und Robustheit im Vordergrund. Das wissenschaftliche Arbeitsprogramm umfasst Experimente, die Erkenntnisse zur Modellierung der Bettung der Bewehrung quer zur Stabachse im Bereich von Rissen liefern, die nicht orthogonal zur Bewehrung liegen. Es wird ein strukturmechanisches und numerisches Modell zur Berechnung von Stahlbetontragwerken mit diskreter Berücksichtigung der Bewehrung, das bemessungsrelevante Phänomene abbildet, entwickelt, in eine hauseigene Software implementiert und in der ersten Antragsphase für Scheiben und wandartige Träger validiert. Kernstück des Arbeitsprogramms ist die Entwicklung eines Algorithmus zur Generierung von Bewehrung auf Basis solcher Berechnungen. Das Konzept wird insbesondere hinsichtlich der Arbeitshypothese, dass die Berücksichtigung des nichtlinearen Verhaltens zu wirtschaftlicheren Bemessungsergebnissen als elastische spannungsbasierte Konzepte führt, systematisch validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Malte Von Scheven