Querkrafttragverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung – Entwicklung einer konsistenten experimentellen, analytischen und numerischen Charakterisierungsmethodik

• Antragsteller: Professor Dr. Rostislav Chudoba; Professor Dr.-Ing. Martin Claßen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420545423

In der Vergangenheit wurden große Anstrengungen unternommen, um das Querkrafttragverhalten von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung zu analysieren. Trotz beachtlicher Fortschritte fehlt eine konsistente Beschreibung des Schubzonenverhaltens bis heute. Diese Tatsache wird durch die anhaltende Fachdiskussion über die genaue Rolle unterschiedlicher Schubübertragungsmechanismen, über ihre angemessene Quantifizierung und ihre zutreffende Berücksichtigung in Modellen dokumentiert.Das Hauptziel der beantragten Forschung ist es, diese Lücke durch die Entwicklung einer neuen, theoretischen und experimentellen Charakterisierungsmethodik zu schließen, die eine zutreffende Beschreibung des gesamten Trag- und Versagensprozesses querkraftbeanspruchter Bauteile ermöglicht. Der Modellansatz erfasst die elementaren Mechanismen, die das Querkrafttragverhalten beeinflussen, einschließlich (1) der Risslokalisierung, (2) der Rissausbreitung, (3) der Rissreibung und -verzahnung, (4) des Verbundverhaltens, (5) der Dübelwirkung der Bewehrung sowie (6) des nichtlinearen Druckzonenverhaltens. Die vorgeschlagene Modellierungsstrategie kombiniert analytische Modelle, die einen Nachweisschnitt entlang des kritischen Schubrisses betrachten (Level I) und angereicherte Finite-Elemente-Modelle der Schubzone mit diskreter Rissabbildung (Level II). Durch die Modellierung mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad und unterschiedlichem Rechenaufwand wird es möglich, einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Effizienz der Simulation zu finden. Die erfolgreiche Implementierung der Modellierungsstrategie führt zu einer sehr effizienten Abbildung des Schubzonenverhaltens einschließlich der Vorhersage der Rissausbreitung und der Quantifizierung der wechselwirkenden Querkrafttraganteile während der gesamten Belastungsgeschichte.Die Kalibrierung und Validierung der entwickelten Modelle erfolgt über ein Versuchsprogramm, das kleinmaßstäbliche Modellversuche und vollmaßstäbliche Bauteilversuche mit konsistenten Materialeigenschaften umfasst. Zur Charakterisierung des Druck- und Zugtragverhaltens von Beton, des Verbundverhaltens und der Dübelwirkung der Bewehrung wird auf bekannte Versuchsaufbauten zurückgegriffen, während zur Untersuchung der Rissreibung ein neuer Versuchsstand entwickelt wird. Anhand der Versuchsergebnisse werden die konstitutiven Gesetze der unterschiedlichen Tragwirkungen kalibriert. Zur Validierung der entwickelten Modelle (Level I und II) werden die Ergebnisse der hochauflösend gemessenen Bauteilversuche herangezogen.Durch die Zusammenführung der Stärken zweier Disziplinen, nämlich der Stahlbetonforschung einerseits und der numerischen Mechanik andererseits, wird das geplante Projekt unser Verständnis für das Schubtragverhalten von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung erheblich verbessern. Langfristig wird es eine solide Basis für die Bemessung von Ingenieurbauwerken mit reduziertem Materialverbrauch, längerer Lebensdauer und erhöhter Zuverlässigkeit bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Josef Hegger