Reinforcement-Concrete Interaction near Cracks
Autor: Jonas Nägeli
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Das Rissverhalten von Beton bestimmt viele seiner baupraktisch relevanten Eigenschaften: Durchbiegungen im Gebrauchszustand, Korrosion durch Wassereintritt entlang von Rissen ebenso wie die Duktilität, die durch die Zugversteifung im gerissenen Beton reduziert wird. Im vergangenen Jahrhundert wurden viele Richtlinien erarbeitet, wie man das Rissverhalten abschätzen kann. Viele davon sind jedoch empirischer Natur. Rein mechanische Modelle existieren nur für einfache Fälle, wie z.B. Zuggurte mit klar definiertem Querschnitt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für ein mechanisches Modell zu erarbeiten, dass für allgemeine Geometrien und Belastungen angewendet werden kann.
Der Spannungszustand um einen im Beton eingebetteten Bewehrungsstab wird mithilfe radialsymmetrischer Spannungsfeldern, die die Zugfestigkeit des Betons berücksichtigen abgebildet. Basierend auf der Plastizitätstheorie wird ein analytisches Modell formuliert, so dass möglichst allgemeine Verbundeigenschaften und variable Bewehrungsgehalte berücksichtigt werden können. Im Laufe der Arbeit wird ein erstes Modell weiterentwickelt, was schlussendlich in einem verbesserten Modell mit inkrementeller Belastung in drei Stufen resultiert: Ungerissen, erster Riss und fortlaufendes Reissen mit teilweiser Schlupfumkehr. Das Verbundverhalten wird in jeder Stufe angepasst um die relevanten Verbundmechanismen abzubilden. In dieser Arbeit werden die erste und die zweite Stufe behandelt, während die dritte Stufe Gegenstand weiterer Forschung ist. Anhand eines numerischen Beispiels mit definierten Werten für Verbundspannung und Bewehrungsgehalt wird das Modellverhalten untersucht. Es zeigt sich, dass die Hauptspannungsrichtungen gut mit experimentell beobachteten Rissen übereinstimmen. Allerdings ist das Modell sehr konservativ, wenn es um das Längsaufreissen des Überdeckungsbetons geht und der Umschnürungsmechanismus zeigt ein sprödes Verhalten, so dass damit ein teilweises Aufspalten der Betonüberdeckung nicht erklärt werden kann. Ein Verbesserungsvorschlag wird gemacht.
Das Modell beschreibt die Ausbreitung von Verbundkräften um einen Bewehrungsstab mithilfe eines Spannungsfeldes. Deshalb benötigt es keine Annahme über mitwirkende Betonflächen. Das ist wichtig für die zukünftige Anwendung des Modells in unregelmässigen Geometrien. Nach einigen Modifikationen des Modells könnte eine numerische Implementierung davon das Rissverhalten von allgemein geformten Betonbauteilen unter allgemeiner Belastung berechnen. Eine entsprechende Strategie wird in dieser Arbeit aufgezeigt.
