Structural behaviour of partially loaded areas and concrete hinges

Autor: Tomislav Markić
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-b-000592082call_made

Kurzfassung

Betongelenke sind monolithische Verbindungen aus Stahlbeton, die so ausgestaltet sind, dass sie hohe axiale Druckkräfte und erhebliche Rotationen aufnehmen können, ohne dass unzulässig grosse Biegemomente um mindestens eine Gelenkachse resultieren. Dieses Verhalten ist besonders nützlich, um durch hohe axiale Druckkräfte belastete stabförmige Bauteile, wie z.B. Brückenpfeiler und -bögen, gelenkig zu verbinden. Das gewünschte Verhalten wird durch eine geeignete Verjüngung des Bauteilquerschnitts und die Zentrierung der Kräfte und Verformungen in einem kleinen Bereich, dem sogenannten Gelenkhals, erreicht. Betongelenke werden heute hauptsächlich zur Verringerung von Zwängungen in monolithischen Bauwerken (z.B. integralen Brücken) als Alternative zu mechanischen Lagern eingesetzt. Trotz über einem Jahrhundert an Erfahrungen, welche die zahlreichen Vorteile von Betongelenken gegenüber konventionellen Lagern bestätigen (insbesondere hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Dauerhaftigkeit, Robustheit, Nachhaltigkeit und Ästhetik), zögern Ingenieure oft noch, Betongelenke einzusetzen. Die Hauptgründe dafür sind das begrenzte mechanische Verständnis ihres grundsätzlichen Tragverhaltens und das Fehlen ausreichender experimenteller Daten, was sich in unzureichend fundierten Bemessungsrichtlinien manifestiert. Eine erhebliche Wissenslücke besteht sogar für das Verhalten von Gelenken im elementaren Belastungsfall axialer Druckkraft ohne Gelenkverdrehung, was im Wesentlichen dem Verhalten teilflächenbelasteter Stahlbetonblöcke entspricht. Das Verhalten unter allgemeiner Belastung (d.h. Biegemomente und Querkräfte) birgt noch grössere Unsicherheiten und offenen Fragen. Deshalb ist das Potenzial von Betongelenken bei weitem nicht ausgeschöpft.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Unsicherheiten bei der Bemessung und Überprüfung von Betongelenken zu beseitigen, indem die für das Tragverhalten grundlegenden Mechanismen theoretisch und experimentell untersucht werden und mechanisch fundierte, experimentell validierte Modelle für die Analyse und Bemessung vorgeschlagen werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, beinhaltet der erste Teil der Arbeit eine eingehende Untersuchung des Tragverhaltens unter Teilflächenpressung, d.h. von Bereichen, auf denen hohe, konzentrierte Druckkräfte über begrenzte Kontaktflächen aufgebracht werden. Das genaue Verständnis und die Modellierung dieser grundlegenden Belastungssituation sind von entscheidender Bedeutung, um das nochmals komplexere Verhalten von Betongelenken unter allgemeiner Belastung konsistent modellieren zu können. Es werden verschiedene diskontinuierliche Spannungsfelder hergeleitet, welche die mehrachsige Tragwirkung des Betons und die günstige Wirkung einer Umschnürungsbewehrung konsistent berücksichtigen. Die Ergebnisse einer umfangreichen Versuchsserie an 62 teilflächenbelasteten Stahlbetonblöcken zeigen, dass die vorgeschlagenen Spannungsfelder im Vergleich zu den bestehenden, semi-empirischen Bemessungsregeln sehr genaue und deutlich weniger konservative Vorsagen der Traglast liefern und somit eine wesentlich bessere Ausnutzung des Tragwiderstands mit geringeren Unsicherheiten ermöglichen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird das Tragverhalten von einachsigen Betongelenken unter allgemeiner Belastung untersucht. Um die sehr begrenzte experimentelle Datenbasis zu erweitern, wurden sieben grossmassstäbliche Betongelenke mit leicht bewehrtem Gelenkhals im Large Universal Shell Element Tester der ETH Zürich getestet. Die Prüfkörper wurden mehrstufigen Belastungsgeschichten unterworfen, die auf verschiedene Brucharten abzielten (Versagen infolge von axialem Druck, Gelenkverdrehung, Querkraft parallel oder senkrecht zur Gelenkachse, Biegemoment um die starke Achse und Torsion). Die Experimente (i) bestätigen die in früheren Studien beobachtete, bemerkenswert hohe Druckfestigkeit und Verformungskapazität des Betons im Gelenkhals, (ii) zeigen, dass Betongelenke grosse Querkräfte und Torsionsmomente aufnehmen können, wenn ausreichende, axiale Druckspannungen vorhanden sind, und (iii) verdeutlichen, dass eine moderate, den Gelenkhals querende Bewehrung den Schubwiderstand bei niedrigen Druckspannungen beträchtlich erhöht und spröde Versagen infolge Querkraft verhindert. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Experimenten und früheren theoretischen Studien wird die analytische Modellierung von Betongelenken hinterfragt und aktualisiert, wobei Ansätze verwendet werden, die mit modernen Bemessungsnormen im Einklang sind. Für das Verhalten unter Druckkraft und Biegemomenten wird eine Querschnittsanalyse unter Berücksichtigung der Umschnürungswirkung vorgeschlagen, wobei die Festigkeit des dreiachsig belasteten Betons im Gelenkhals und der angrenzenden Blöcke mit den im ersten Teil der Arbeit entwickelten Spannungsfeldern bestimmt wird. Der Schubwiderstand von Betongelenken wird mit Bruchmechanismen untersucht, die aufgrund der experimentell beobachteten Versagensarten gewählt wurden. Auf der Grundlage des Schubwiderstands wird zudem ein einfacher Ansatz zur Abschätzung des Torsionswiderstands des Gelenkes vorgeschlagen. Insgesamt sind die vorgeschlagenen Modelle mechanisch konsistenter und stimmen besser mit den verfügbaren experimentellen Daten überein als die bisherigen Ansätze für die Modellierung. Zudem liefern sie deutlich höhere Tragwiderständen, was eine effizientere Bemessung ermöglicht und die Anwendung von Betongelenken in zukünftigen Projekten fördern dürfte.