Das Bruchverhalten des druckbeanspruchten Betons kann mit Hilfe des Compressive Damage Zone Models (CDZ) gut beschrieben werden. Die dazu erforderlichen Eingangsparameter wurden bereits für normalfeste und hochfeste Betone sowie für Leichtbeton ermittelt.
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Anwendbarkeit des Modells für hochfeste Stahlfaserbetone mit Polypropylenfaseranteilen überprüft und mit neu bestimmten Modellparametern erweitert.
Grundlage hierfür waren umfangreiche Versuche, deren Spannungs-Dehnungslinien in Bezug auf das CDZ-Modell ausgewertet wurden.
Im Anschluss wurden Versuche durchgeführt, bei denen von bis an die Bruchlast vorbelasteten Probekörpern die Restquerzugfestigkeit bestimmt wurde. Versuchsaufbau und –ablauf werden umfassend beschrieben.
Abschließend wurden die so an Probekörpern gefundenen Parameter bei der Nachrechnung von Bauteilversuchen verwendet. Es wurden Spannungs-Dehnungs-Beziehungen aufgestellt, die das Nachbruchverhalten von Modellstützen aus hochfestem Stahlfaserbeton in Abhängigkeit der Fasergehalte beschreiben.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Druckversagen von Betonkörpern unter einaxialer Beanspruchung
2.1 Grundsätzliches zum Versagensmechanismus von Beton
2.1.1 Versagen infolge Längsrißbildung; Ausbildung einer Schadenszone Ld
2.1.2 Versagen infolge Schubbandausbildung
2.2 Das Compressive Damage Zone Model (CDZ)
2.2.1 Modellbeschreibung und Absicht
2.2.2 Ermittlung der inelastischen Energie Win
2.2.3 Ws - Energie, die nach der Maximallast in den Längsrissen dissipiert wird
2.2.4 Wd - Energie, die in den Längsrissen dissipiert wird
2.2.5 Gl - Energieanteil infolge Abgleitens auf dem Schubband
2.2.6 Wc - Gesamtenergie
2.2.7 Herleitung der Parameters r, γ
3 Herangehensweise bei der Versuchsauswertung zentrisch gedrückter Zylinder
3.1 Bestimmung von E-Modul, εel, εin, den Energieanteilen Wel und Win sowie des Formbeiwertes α
3.2 Spezifische Bruchenergie Gf, Materialkenngrößen γ und r
3.3 Energieanteile Wc, Gl*1/L, Ws und Proportionalitätsfaktor k
3.3.1 Auswertung bei Probekörpern mit Schubbandausbildung
3.3.2 Auswertung bei Probekörpern ohne Schubbandausbildung
4 Auswertung und Beurteilung der Versuchsergebnisse zentrisch gedrückter Zylinder
4.1 Modellparameter aus Versuchen; Vergleich mit den Vorschlägen von Markeset
4.1.1 Versuchskörper bei denen eine Schubbandausbildung zu erkennen war
4.1.2 Versuchskörper bei denen keine Schubbandausbildung vorlag
4.2 Bewertung des Verhältnisses εin /εel und Eingang in Gleichung (8)
4.3 Bewertung der Versuchsergebnisse für den Modellparameter k
4.4 Zusammenfassung der Parameter und Vorschläge für εin/εel und k
4.4.1 Verhältniswert εin/εel
4.4.2 Parameter k
4.5 Bestimmung des Modellparameters k mittels der Entfestigungs-Rißöffnungs-Beziehung nach Remmel [6] und der darauf aufbauenden Entfestigunskurve für Stahlfaserbetone nach Kützing [3]
4.5.1 Zugspannungs-Rißöffnungs-Beziehung für faserfreien Beton nach [6]
4.5.1.1 Bestimmung der Entfestigungsfunktion für einen Kiesbeton C50/60
4.5.1.2 Bestimmung des CDZ-Modellparameters k
4.5.1.3 Berücksichtigung des Verhaltens der Rißzone bei Entlastung
4.5.2 Zugspannungs-Rißöffnungs-Beziehung für Stahlfaserbeton nach [3]
4.5.2.1 Numerische Bestimmung des CDZ-Modellparameters k und der Bruchenergie Gf in Abhängigkeit des Stahlfasergehalts
4.5.2.2 Bestimmung des bei Stahlfaserbetonen im weggesteuerten Druckversuch umgesetzten Bruchenergieanteils
4.6 Einfluß der Vorbelastung auf die Querzugfestigkeit
5 Anwendung der CDZ-Parameter bei Bauteilversuchen
5.1 Gegenüberstellung einiger Unterschiede der DIN 1045 und der DafStb-Richtlinie für hochfesten Beton
5.2 Spannungs-Dehnungsbeziehungen mittig beanspruchter Druckglieder
5.2.1 Bruchverhalten und Spannungs-Dehnungs-Linie nach Simsch [16]
5.2.2 Erweiterung des CDZ-Modells [1] auf eine Umschließungsbewehrung in der Druckzone nach Meyer [2]
5.2.3 Spannungs-Dehnungs-Linie basierend auf dem CDZ-Modell und der Erweiterung nach Meyer
5.3 Auswertung der durchgeführten Stützenversuche
5.3.1 Überblick über die Versuchsreihe
5.3.2 Darstellung und Diskussion der Versuchsergebnisse
5.3.3 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Nachbruchbereich
5.3.4 Einflußgrößen und Anwendungsgrenzen der Spannungs-Dehnungs-Funktion für mittigen Druck
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ausblick
Zielsetzung der Arbeit
Die Diplomarbeit untersucht die Anwendbarkeit des Compressive Damage Zone Models (CDZ) auf stahlfaserverstärkte, duktile Hochleistungsbetone. Das primäre Ziel ist die Bestimmung spezifischer Modellparameter durch Versuchsauswertung, um das Bruchverhalten und die Tragkapazität dieser Materialien unter Druckbeanspruchung präziser modellieren zu können.
- Analyse des Bruchverhaltens von faserarmierte Betonen unter einaxialer Druckbelastung.
- Bestimmung der CDZ-Modellparameter zur Beschreibung des Nachbruchverhaltens.
- Untersuchung des Einflusses von Stahl- und Polypropylenfasern auf die Duktilität.
- Übertragung der an Probekörpern gewonnenen Erkenntnisse auf Bauteilversuche (Stützen).
- Validierung der Modellansätze zur Verbesserung der Bemessungspraxis für hochfesten Beton.
Auszug aus dem Buch
Druckversagen von Betonkörpern unter einaxialer Beanspruchung
In diesem Abschnitt soll auf das Wesen des Druckversagens von Beton kurz eingegangen werden. Im weiteren werden die Grundzüge des Compressive Damage Zone Model (CDZ) erläutert. Das CDZ Modell wurde 1993 von Gro Markeset in Norwegen entwickelt und ermöglicht die Beschreibung des Nachbruchverhaltens von Beton.
Das nichtlineare Verhalten von Beton, welches in den Normen DIN 1045 bzw. EC 2 berücksichtigt wird, hat seine Ursache in belastungsbedingten Strukturänderungen. Mit Zunahme der Belastung im ansteigenden Ast entstehen Mikrorisse. Dabei bilden sich zunächst Rißoberflächen zwischen der Zementmatrix und den Zuschlagskörnern aus. Rißlänge und Rißöffnung sind dabei u. a. abhängig von Art, Größe und Zugfestigkeit der Zuschläge als auch von der Dichtheit des Zementsteins und den Verbundeigenschaften zwischen Zement und Zuschlagskörnern.
Nach Erreichen der Druckfestigkeit bildet sich eine Schadenszone aus, in der die Mikrorisse zu Längsrissen anwachsen. Sie sind in Richtung der Hauptdruckspannung gerichtet.
In Abhängigkeit der vorhandenen Probekörperabmessungen und den Eigenschaften des verwendeten Betons ist es möglich, daß es mit zunehmender Verformung zu einer Vereinigung der Longitudinalrisse kommt. Dann bildet sich ein Schubband aus, auf dem die zwei entstandenen Bruchkegel abgleiten.
Diese zwei Versagensmechanismen können in zwei Energieanteile aufgeteilt werden, die nach dem Erreichen der Druckfestigkeit noch dissipiert werden müssen, um eine vollständige Zerstörung des Betonkörpers zu erreichen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Die Einleitung beleuchtet die zunehmende Bedeutung von hochfestem Beton im Hochhausbau und die damit verbundenen Herausforderungen hinsichtlich des spröden Materialverhaltens sowie das Ziel der Arbeit, diese Eigenschaften durch Faserzugabe zu verbessern.
2 Druckversagen von Betonkörpern unter einaxialer Beanspruchung: Dieses Kapitel erläutert den theoretischen Hintergrund des CDZ-Modells, insbesondere die Mechanismen der Längsrißbildung und der Schubbandausbildung bei Beton unter Druck.
3 Herangehensweise bei der Versuchsauswertung zentrisch gedrückter Zylinder: Hier wird das methodische Vorgehen zur Auswertung deformationsgesteuerter Druckversuche beschrieben, einschließlich der Berechnung von Materialparametern wie E-Modul und verschiedenen Energieanteilen.
4 Auswertung und Beurteilung der Versuchsergebnisse zentrisch gedrückter Zylinder: Die experimentellen Ergebnisse werden detailliert analysiert, Modellparameter für verschiedene Betonmischungen abgeleitet und der Einfluss von Faserzusätzen bewertet.
5 Anwendung der CDZ-Parameter bei Bauteilversuchen: Der Fokus liegt auf der Anwendung der entwickelten Parameter zur Nachrechnung von Bauteilversuchen an Stützen, wobei insbesondere der Einfluss von Umschnürungsbewehrung untersucht wird.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur duktilitätssteigernden Wirkung der Fasern zusammen und gibt Anregungen für weiterführende Untersuchungen zur Implementierung in Simulationsmodelle.
Schlüsselwörter
Hochfester Beton, Stahlfaserbeton, Compressive Damage Zone Model, CDZ-Modell, Nachbruchverhalten, Duktilität, Druckversagen, Spannungs-Dehnungs-Linie, Bruchenergie, Querzugfestigkeit, Umschnürungsbewehrung, Polypropylenfasern, Schadenszone, Modellparameter, Bauteilversuche.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der bruchmechanischen Modellierung des Druckversagens von Beton. Dabei wird untersucht, wie hochfeste Betone, die zur Sprödigkeit neigen, durch Faserzusätze duktiler gestaltet werden können.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Im Zentrum stehen die Anwendung des Compressive Damage Zone Models (CDZ) auf faserarmierte Betone, die Analyse von Energieanteilen während des Versagensprozesses sowie die Untersuchung von Bewehrungseinflüssen bei Bauteilversuchen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Bestimmung von Modellparametern, mit denen das Nachbruchverhalten von Stahlfaser-Hochleistungsbeton unter Druckbeanspruchung in einer Weise rechnerisch abgebildet werden kann, die sowohl physikalisch fundiert als auch in der Praxis anwendbar ist.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden deformationsgesteuerte zentrische Druckversuche an Zylindern sowie Bauteilversuche an Stützen durchgeführt, deren Ergebnisse mithilfe des CDZ-Modells analysiert und durch tabellenkalkulationsbasierte numerische Auswertungen validiert werden.
Was wird im Hauptteil der Untersuchung bearbeitet?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung des Versagensmodells, die experimentelle Bestimmung der Parameter an Probekörpern und die Anwendung dieser Erkenntnisse auf die Nachrechnung von Stützen, um den Einfluss von Fasergehalt und Bügelbewehrung zu quantifizieren.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die wichtigsten Schlagworte sind Hochfester Beton, Stahlfaserbeton, CDZ-Modell, Druckversagen, Duktilität, Bruchenergie und Umschnürungsbewehrung.
Welchen Einfluss haben Polypropylenfasern laut der Untersuchung?
Die Untersuchung zeigt, dass Polypropylenfasern maßgeblich zur Ausrundung des ansteigenden Astes der Spannungs-Dehnungs-Linie beitragen, was zu einer gleichmäßigeren Mikrorißbildung im hochfesten Probekörper führt.
Warum ist das "Schubband" für die Modellrechnung so relevant?
Die Ausbildung eines Schubbandes markiert einen spezifischen Versagensmechanismus, dessen Berücksichtigung in der Modellrechnung essenziell ist, da er das Nachbruchverhalten und die Dissipation der Bruchenergie maßgeblich beeinflusst.
- Quote paper
- Torsten Römer (Author), 1998, Zur bruchmechanischen Modellierung des Druckversagens von Beton, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/30
