Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen - -- DAfStb · Stahlfaserbewehrter Beton (SFB) mit und ohne...

1

Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen

Prof. Dr.‐Ing. habil. Peter Mark

Peter Heek, M. Sc.

1Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Deutscher Ausschuss für StahlbetonUA Stahlfaserbetonwww.dafstb.de

Ruhr‐Universität BochumLehrstuhl für Massivbauwww.massivbau.rub.de

2

2Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Inhalt

Einführung

Prinzipielles Tragverhalten

Vorschriftenentwicklung in Deutschland

DAfStb‐Richtlinie „Stahlfaserbeton“

Leistungsklassen und Residualfestigkeiten Bemessung im GZT  Querschnitts‐ und Systemtragfähigkeiten Methoden der Schnittgrößenermittlung Bemessung im GZG

Schlussfolgerungen 

3

3Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Anwendungsbereiche Stahlfaserbeton

kalt gezogene Stahldrahtfasern:ca. 40 < l/d < 801.000 < ffy < 2.000 N/mm²150.000 < Ef < 210.000 N/mm²

[Stahlbetonbau‐aktuell‐14]

‐ Industriefußböden

‐ Wohnungsbau

‐ Bauteile mit Dichtfunktion

‐ Fertigteile und Tunnelbau

4

4Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Mechanisches Tragverhalten

Einflussfaktoren auf Nachrisszugtragverhalten:

Faserorientierung 

Faserverteilung

Faseranzahl

Fasertyp

Faserschlankheit und ‐länge

Faserverankerung

Faserzugfestigkeit

Betonrezeptur 

Größtkorn des Zuschlags

Druckfestigkeit

[Schnell‐10]

5

5Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Mechanisches Tragverhalten

[Strack‐07]

F [kN]

δ [mm]3.02.01.00

25

30

0

V f=2

5 kg

/m³

20

5

10

15

Biegebalken

6

6Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Vorschriftenentwicklung in Deutschland

1996: DBV‐Merkblatt „Bemessungsgrundlagen für Stahlfaserbeton im 

Tunnelbau“

2001: DBV‐Merkblatt „Stahlfaserbeton“

2010: DAfStb‐Richtlinie „Stahlfaserbeton“

basiert auf RILEM TC 162‐TDF „Test and design methods for steel fibre 

reinforced concrete“ – σ-ε design method

nur geringe Änderungen zum DBV‐Merkblatt „Stahlfaserbeton“ (2001)

seit 2012 in Deutschland flächendeckend bauaufsichtlich eingeführt

7

7Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Bauaufsichtlich eingeführt in allen Bundesländern im Jahr 2012

Ergänzungen zu DIN 1045 Teile 1 bis 3

45 Seiten

8

8Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Voraussichtliche bauaufsichtliche Einführung im Jahr 2014

Aktueller Status: Weißdruck 

Ergänzungen zu EC2‐1‐1 mit NAD, DIN EN 206‐1 mit DIN 1045‐2, 

DIN EN 13670 mit DIN 1045‐3

46 Seiten

9

9Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Anwendungsbereich Ergänzend zu EC2 1‐1 mit NAD (DIN 1045) Normalbeton bis C50/60 Stahlfaserbewehrter Beton (SFB) mit und ohne Stabbewehrung Mechanisch verankerte Fasern (gewellt, gekröpft, Endköpfe,…) Systeme mit Steigerungsfähigkeit von Lasten / Zwangsabbau nach 

Rissbildung („Gleichgewichtssystem“) Querschnittsebene (Komb. mit Betonstahlbewehrung) Systemebene (Umlagerungspotential statisch unbestimmter Systeme, 

äußere Drucknormalkräfte)

Nicht enthalten Vorgespannter SFB Gefügedichte und haufwerksporige Leichtbetone Hochfester Beton ( C55/67) Reiner SFB in XS2, XD2, XS3 und XD3 (für rechn. angesetzte Faserwirkung) Selbstverdichtender Beton Stahlfaserspritzbetone

10

10

Biegezugversuch und Fasergehalte

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Nach DAfStb‐Stahlfaserbeton, T. 2, Anhang O

11

11

Biegezugversuch und Fasergehalte

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

F [kN]

δ [mm]3.02.01.00

25

30

0

V f=2

5 kg

/m³

20

5

10

15

Durch die Betonzugfestigkeit bestimmt

„unterkritisch“

F [kN]

δ [mm]3.02.01.00

25

30

0

V f=7

5 kg

/m³

20

5

10

15

„überkritisch“

L1 L2

Basis für Einstufung und nutzbare Biegezugfestigkeiten

12

12

Rechnerische Zugfestigkeiten und Leistungsklassen

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Mittelwerte der Serie

Einstufung in Leistungsklassen L2/L1

Bsp.:  C30/37 – L1,2/0,9 – XC1

13

13

Residualfestigkeiten

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

14

14

Spannungs‐Dehnungs‐Linien (SDL)

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

L2/L1 ≤ 1,0 (GZT) L2/L1 ≥ 0,7 (GZT)

• vereinfachte (konservative)Bemessung im GZT

• Bemessung im GZT außer für nichtlineare Verfahren

:• nichtlineare Verfahren

L2/L1 ≥ 0,7 (GZT)

• überschlägige Verformungsberechnungen• genauere Verformungsberechnungen

• Nachweise im GZG (außer Verformung-en) bei Verwendung von BSt-Bewehrung

ctf

ctf

ctf

ctf [‰]ct

f [‰]ctf [‰]

ct =fct =f

ct =fct =f

ct =fct =f

ct =fct =f

0,1 25,0 0,1 3,5 25,0 0,3 3,5 25,0

ct,uf bzw. ct,s

f ct,L1f

ct,L2f ct,L1

f

ct,L2f

ctmf

15

15

Residualfestigkeiten / Bemessungswerte

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Rechenwerte der zentrischen Nachrisszugfestigkeit

Größenordnungsfaktor (Variationskoeffizient)

Orientierungsfaktor0,5 (ungünstig) bis 1,0 (isotrop, günstig)

Bemessungswerte

16

16

Residualfestigkeiten / Bemessungswerte

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

κfF: Orientierungsfaktor κfF= 0,5 (ungünstig)κfF= 1,0 (isotrop, günstig)

κfG: Größenordnungsfaktor  (Variationskoeffizient)κfG= 1,0  +  Af

ct · 0,5  <  1,70

[Stahlbetonbau‐aktuell‐14]

17

17

Bemessung im GZT

‐3,5‰  c 25‰

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Zulässige Dehnungsverteilungen

18

18

Bemessung im GZT

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Biegung mit Normalkraft – dimensionslose Querschnittsbemessung

Stahlfaserverstärkter StahlbetonStahlbeton

19

19Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

www.massivbau.rub.de

Optimierungsaufgabe

20

20Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Göd

de, L.; Strack, M

.; Mark, P.: M‐N‐In

teraktionsdiagramme für stahlfaserverstärkte Stahlbeton

querschn

itte –

Anwen

dung

 am Beispiel von

 Tüb

bingen

, Beton

‐und

 Stahlbe

tonb

au 105

 (5), 2010, S. 318

‐323.

Zusätzlicher Normierungsparameter bei Verwendung von SDL 1 (Spannungs‐block) für den Stahlfaserbeton

21

21Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

2 zusätzliche Normierungsparameter bei Verwendung der trilinearen σ-ε-Beziehung für Stahlfaserbeton (SDL 2)

22

22

Querkraft

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Bauteile ohne Querkraftbewehrung

Bauteilemit Querkraftbewehrung

βr

Fsd

Fcd

VRd,cf

VRd,cc

VEd

Asw

VRd,s

VRd,cc

VRd,cf

VRd,s

Traganteil BetonTraganteil StahlfasernTraganteil Bügelbewehrung

sw

1. υEd2. vRd,cc

3. vRd,cf

4. ωW

23

23Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Mindestquerkraftbewehrung

0f

fff16,0

αsinbsA

yk

fu,ctR

yk

ctm

w

swfminw,

ρ

Keine Bewehrung BSt erforderlich

24

24

Stabwerkmodelle

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Spannungsblock mit c, Zustand I ffctd,u oder Nachweis wk,cal 0,5mm im GZT

Sonst kombinationsbewehrt mit Fasertraganteil  30%

Spaltzug Scheiben

Abschätzung der gezogenen Fläche z.B. mittels FEM (linear‐elastisch)

25

25Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Umlagerungsfähigkeit auf Systemebene

Gebettete Tübbingringe

26

26Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

u

Last

fakt

or

Nach: Kemmler, Bilfingerberger, STUVA, 2010

Duktiles (redundantes) Systemverhalten

27

27

Methoden der Schnittgrößenermittlung

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Berechnung mit linear‐elastischen Materialansätzen

Verfahren der Plastizitätstheorie Nichtlineare Berechnungsverfahren 

Wenn die überwiegende Zugtragwirkung durch Betonstahl erzielt wird, sonst

‐ Elastisch gebettete Bauteile‐ Rückverankerte Unterwasserbetonsohlen‐ Pfahlgestützte Bodenplatten‐ Schalenförmige Bauteile‐ Monolithisch hergestellte Fertigteilbehälter

28

28

Methoden der Schnittgrößenermittlung

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

[Gödde‐11]

29

29

Bemessung im GZG – Begrenzung von Rissbreiten

Mindestbewehrung, Erstrissbildung

Abgeschlossene Rissbildung

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

→ Faserwirkung findet quadratisch Berücksichtigung

30

30

Teil 2: Ergänzungen + Änderungen zu DIN EN 206‐1 + DIN 1045‐2

Stahlfasergehalt Anforderungen an (Frisch‐) Betone Konformitätskontrolle, Produktionskontrolle

Anhang M:  Bestimmung des Stahlfasergehalts Anhang N:  Erstprüfung von SFB Anhang O:  Prüfungen zur Ermittlung der Leistungsklasse Anhang P: Genauere Bestimmung von ßL2 Anhang Q: Zusätzliche Vorschriften für SFB

Teil 3: Ergänzungen + Änderungen zu DIN EN 13670 + DIN 1045‐3

Betonieren, Verdichten

Anhang NA: Überwachung durch das Bauunternehmen Anhang NB: Prüfung Frisch‐ und Festbetoneigenschaften

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität

Hinweise für die Ausführung

31

31Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Schlussfolgerungen

Bauaufsichtlich eingeführte Richtlinie

Ergänzung zu EC2‐1‐1 & NAD, DIN EN 206‐1, DIN EN 13670 bzw. DIN 1045‐1 bis 3

Spannungs‐Dehnungs‐Konzept

Schnittgrößenermittlung mit plastischen oder nichtlinearen Verfahren

Bemessungen mit additivem Faseranteil

Günstig Systeme mit großen gezogenen Flächen, hohem Umlagerungspotential, Dichtigkeitsanforderungen oder Verschleißbeanspruchungen

Erläuterungen 2014