Theoretical, experimental, and numerical investigation of concrete hinges
Autorin: Monica Di Vincenzo
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Ein Betongelenk ist eine monolithische Konstruktion, die einerseits zur Aufnahme grosser axialer Druckkräfte und andererseits zur Sicherstellung einer ausreichenden Rotation ohne Erzeugung grosser Biegemomente dient. In den 60er und 70er Jahren wurden sie beim Bau des Autobahnnetzes in Europa häufig eingesetzt. Die empirische Bemessung basierte meist auf den Forschungen von Leonhardt in den 60er Jahren. Mit dem Aufkommen von mechanischen Gelenken ging die Verwendung von Betongelenken zurück. In den letzten Jahren erlebten die Betonscharniere jedoch ein Comeback, da sie eine höhere Dauerhaftigkeit besitzen und ökonomischer sind. Das Bedürfnis nach zuverlässigeren Bemessungsregeln ist jedoch noch nicht befriedigt worden.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, das vorhandene mechanische Modell "Dual Wedge" zu erweitern. Das Spannungsfeldmodell wurde an der ETH entwickelt, um die Bruchlast von Teilflächenbelastungsproblemen zu bestimmen. Es wird ein Vorschlag für die Erweiterung des Dual Wedge Modells gegeben, um den Einfluss der Rotation mitzuberücksichtigen. Dazu wird zunächst eine Spannungs-Dehnungs-Beziehung für ein Beton unter mehrachsige Beanspruchung auf der Basis von Mander definiert. Das vorgeschlagene Modell berücksichtigt eine eventuelle Bewehrung in der Mitte der Einschnürung. Die maximal zulässige Verdrehung für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit wird zum einen über die Rissbreite anstelle der Risslänge und zum anderen über das Fliessen der Bewehrung definiert. Für den Grenzzustand der Tragfähigkeit wird die Bruchdehnung der Bewehrung verwendet. Die Validierung des vorgeschlagenen Modells erfolgt durch Vergleich mit vergangenen experimentellen Kampagnen, mit einer nichtlinearen Finite-Elemente-Analyse und mit einem an der ETH durchgeführten Grossversuch. Ausserdem wird eine vorläufige numerische Untersuchung zum Einfluss der Querkraft durchgeführt.
Mit Hilfe der experimentellen und numerischen Untersuchung konnte die vorgeschlagene Er-weiterung zur Einbeziehung der Rotation in das mechanische Modell teilweise verifiziert werden. Die Begrenzungskurve für die maximale Druckfestigkeit gibt eine sichere Vorhersage der Tragfähigkeit und unterschätzt gleichzeitig nicht das Verhalten eines Betongelenkes unter axialer Belastung und Rotation. Die Begrenzung hinsichtlich der maximal zulässigen Rotation konnte jedoch mit den vorliegenden Daten nicht verifiziert werden. Bezüglich der Querkraft hat die Voruntersuchung gezeigt, dass sowohl eine Erhöhung der Rotation als auch der Querkraft zu einer Verringerung der Bruchlast führt. Es wird daher vorgeschlagen, die Querkraft immer in Kombination mit der Rotation zu untersuchen. Weitere Experimente und/oder numerische Analysen sollten durchgeführt werden. Darüber hinaus muss eine Erweiterung um die anderen Hauptbelastungen wie Querkraft, Torsion oder Biegemoment um die starke Achse noch in Angriff genommen werden.
