Behaviour of Concrete Membrane Elements in the Crack Formation Phase

Autor: Simon Karrer
Sprache: Englisch

Kurzfassung

Die Deformationskapazität von Membranelementen kann grundsätzlich mit bereits existierenden Modellen berechnet werden. All diese Modelle basieren auf der Annahme, dass die Rissbildung in den Membranelementen abgeschlossen ist. Abgeschlossene Rissbildung ist charakterisiert durch ein vollentwickeltes Rissmuster. Das bedeutet, dass sich keine neuen Risse mehr bilden, auch nicht, wenn die aufgebrachten Schubspannungen und Schubdehnungen weiter erhöht werden. Viele Membranelemente weisen kein abgeschlossenes Rissmuster auf für Belastungen auf Gebrauchstauglichkeits- und sogar Tragsicherheitsniveau. Die Anwendung der existierenden Modelle in der Rissbildungsphase führt daher möglicherweise zu einer Überschätzung der Deformationskapazität und der Traglast. Es ist fraglich, ob die existierenden Modelle in der Rissbildungsphase angewandt werden können.

Diese Masterarbeit beschreibt die Rissbildungsphase von Membranelementen aufgrund der Analyse von vier grossmassstäblichen Experimenten. Die Membranelemente wurden ausschliesslich mit Schubkräften belastet und die Verformungen wurden mittels eines Bildkorrelationsverfahren (DIC) gemessen. Auf der Grundlage der exakten und umfangreichen Rissmessungen wurden neue Darstellungen entwickelt. Der Parameter Rissöffnungsrate wurde entwickelt um zu illustrieren, ob und mit welcher Rate sich ein Riss öffnet. Dieser Parameter gibt einen Einblick in das Rissöffnungsverhalten und indirekt in die Spannungsverteilung im Beton zu einem bestimmten Zeitpunkt. Um den Einfluss der Risse auf einer makroskopischen Ebene untersuchen zu können, wurden weitere neue Parameter, wie die Gesamt-Risslänge und die Gesamt-Rissfläche, entwickelt. Die Rissfläche ist das Produkt der Risslänge mal der durchschnittlichen Rissbreite. Basierend auf dem Konzept der Rissflächen konnten nicht relevant Risse automatisch aussortiert werden. Ein Ansatz für die automatische Rissabstandsberechnung wurde auf der Basis der Gesamt-Risslänge vorgeschlagen.

Zusätzlich zu den bestehenden empirischen Bestimmungen für die Mindestbewehrung in der Norm SIA 262 und dem fib Model Code 2010, wurden zwei Ansätze entwickelt, die auf Gleichgewichtsbedingungen an einer gerissenen Membrane resp. auf Bruchmechanismen basieren. Im Bruchmechanismus-Ansatz hängt die Mindestbewehrung stark von der longitudinalen Bewehrung ab. Dies steht im Gegensatz zu den bestehenden empirischen Bestimmungen in den Normen. Weitere Forschung ist nötig um herauszufinden unter welchen Bedingungen die Membranelemente ausreichend Verformungsvermögen aufweisen, um die plastische Lösung erreichen zu können.

Es wird auch weitere Forschung benötig, um zu klären, ob die existierenden Modelle auch in der Rissbildungsphase angewandt werden können. Die Charakterisierung der Rissbildungsphase, wie sie in dieser Arbeit gemacht wurde, eröffnet die Möglichkeit um detaillierte Untersuchungen mit existierenden Modelle, wie dem Gerissene Scheibenmodell, in der Rissbildungsphase durchzuführen. In diesen Simulationen sollte der Rissabstand in der Rissbildungsphase variable und in Übereinstimmung mit den Beobachtungen in den Experimenten gewählt werden. Dies sollte eine zuverlässige Berechnung der Deformationskapazität von Membranelementen auch in der Rissbildungsphase ermöglichen.