Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen - -- DAfStb · Stahlfaserbewehrter Beton (SFB) mit und ohne Stabbewehrung Mechanisch verankerte Fasern (gewellt, gekröpft, Endköpfe,…) Systeme

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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

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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

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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

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Mechanisches Tragverhalten

Einflussfaktoren auf Nachrisszugtragverhalten:

Faserorientierung

Faserverteilung

Faseranzahl

Fasertyp

Faserschlankheit und ‐länge

Faserverankerung

Faserzugfestigkeit

Betonrezeptur

Größtkorn des Zuschlags

Druckfestigkeit

[Schnell‐10]

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Mechanisches Tragverhalten

[Strack‐07]

F [kN]

δ [mm]3.02.01.00

25

30

0

V f=2

5 kg

/m³

20

5

10

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Biegebalken

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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

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Bauaufsichtlich eingeführt in allen Bundesländern im Jahr 2012

Ergänzungen zu DIN 1045 Teile 1 bis 3

45 Seiten

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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

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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

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Biegezugversuch und Fasergehalte

Mark, Heek: Bemessung von Stahlfaserbetonbauteilen, Bochum, 07.11.2013

Nach DAfStb‐Stahlfaserbeton, T. 2, Anhang O

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Biegezugversuch und Fasergehalte


F [kN]

δ [mm]3.02.01.00

25

30

0

V f=2

5 kg

/m³

20

5

10

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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

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Rechnerische Zugfestigkeiten und Leistungsklassen


Mittelwerte der Serie

Einstufung in Leistungsklassen L2/L1

Bsp.: C30/37 – L1,2/0,9 – XC1

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Residualfestigkeiten


14

14

Spannungs‐Dehnungs‐Linien (SDL)


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


Rechenwerte der zentrischen Nachrisszugfestigkeit

Größenordnungsfaktor (Variationskoeffizient)

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

Bemessungswerte

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Residualfestigkeiten / Bemessungswerte


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]

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17

Bemessung im GZT

‐3,5‰ c 25‰


Zulässige Dehnungsverteilungen

18

18

Bemessung im GZT


Biegung mit Normalkraft – dimensionslose Querschnittsbemessung

Stahlfaserverstärkter StahlbetonStahlbeton

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www.massivbau.rub.de

Optimierungsaufgabe

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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

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

22

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Querkraft


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

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Mindestquerkraftbewehrung

0f

fff16,0

αsinbsA

yk

fu,ctR

yk

ctm

w

swfminw,

ρ

Keine Bewehrung BSt erforderlich

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Stabwerkmodelle


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)

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Umlagerungsfähigkeit auf Systemebene

Gebettete Tübbingringe

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u

Last

fakt

or

Nach: Kemmler, Bilfingerberger, STUVA, 2010

Duktiles (redundantes) Systemverhalten

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Methoden der Schnittgrößenermittlung


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

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28

Methoden der Schnittgrößenermittlung


[Gödde‐11]

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Bemessung im GZG – Begrenzung von Rissbreiten

Mindestbewehrung, Erstrissbildung

Abgeschlossene Rissbildung


→ Faserwirkung findet quadratisch Berücksichtigung

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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


Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität

Hinweise für die Ausführung

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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

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