Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Fasern verstärktem Stahlbeton am Beispiel ultrahochfesten Betons

Crack Formation and Tensile Behaviour of Concrete Members Reinforced with Rebars and Fibres exemplified by Ultra‐High‐Performance Concrete Part 1: Crack Mechanical Relationships When combining conventional non‐pre‐stressed or pre‐stressed reinforcement with fibres, differences in the load‐carrying and deformation behaviour arise in comparison to the well‐known reinforced and pre‐stressed concrete. This fact holds true comparably for all concrete classes. However, it is of special interest for ultra‐high‐performance concretes (UHPC), because fibres are added to these concretes generally to improve ductility. With regard to durability, the positive influence of the fibres on the crack formation process and the crack widths in the serviceability range is significant. Especially for enhanced requirements concerning the crack width (order of magnitude: 0.1 mm) with combined reinforcement of rebars and fibres an essential improve compared to reinforced concrete can be achieved. The analysis of the crack formation process presumes the understanding of the different behaviours of the two reinforcing elements ”rebars” and ”fibres”. In part 1 of this contribution, the therefore required mechanical relationships are presented and linked with each other considering equilibrium and compatibility. In part 2 the derived relationships are validated on the basis of experimental investigations on tensile members with combined reinforcement made of UHPC. The application is furthermore illustrated by means of two examples. Because of its universal formulation, the presented proposal is generally applicable to all types of concrete reinforced with rebars and fibres, i.e. it is not limited to ultra‐high‐performance concrete.     

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Fasern verstärktem Stahlbeton am Beispiel ultrahochfesten Betons

Wegen des Problems möglicher Inhomogenitäten der Faserverteilung/‐ orientierung ist der Einsatz von Fasern als alleinige Bewehrung im konstruktiven Ingenieurbau auf wenige Anwendungsgebiete beschränkt (z. B. Aufnahme von Zwangbeanspruchungen). Unter Zugbeanspruchung lässt sich zudem mit den in der Praxis für normalfeste Betone gebräuchlichen Fasergehalten nach der Erstrissbildung kaum ein verfestigendes Verhalten erzielen. Kombiniert man jedoch Stabstahlbewehrung und Faserbewehrung zu einem stahlfaserverstärkten Stahlbeton, so addieren sich die Vorteile beider Verbundwerkstoffe gleichermaßen. Besonders bei erhöhten Anforderungen an die Rissbreite (Größenordnung: unter 0, 1 mm) kann durch gemischte Bewehrung aus Stabstahl und Fasern eine wesentliche Verbesserung gegenüber Stahlbeton erzielt werden. Im Teil 1 dieses Beitrags wurden die für das Verständnis der unterschiedlichen Wirkungsweisen der beiden Bewehrungselemente “Stabstahl” und “Fasern” erforderlichen mechanischen Zusammenhänge dargestellt. Im Teil 2 erfolgt eine Überprüfung der abgeleiteten Beziehungen anhand experimenteller Untersuchungen an gemischt bewehrten Zugelementen aus ultrahochfestem Beton (UHPC). Für UHPC erreicht die Thematik besondere Aktualität, da aus Gründen der Duktilität der Einsatz von Fasen bei diesen Betonen die Regel ist. Der Nachweis der Begrenzung der Rissbreite bei kombinierter Bewehrung wird zudem an zwei Rechenbeispielen veranschaulicht. Crack Formation and Tensile Behaviour of Concrete Members Reinforced with Rebars and Fibres exemplified by Ultra‐High‐Performance Concrete. Part 2: Experimental Investigations and Examples of Application Due to the problem of possible inhomogeneities of fibre distribution/orientation the use of fibres as sole reinforcement is limited in engineering practice to few applications (e. g. coverage of stresses due to constraints). In addition, it is hardly possible to obtain strain hardening after first crack formation with fibre contents commonly used for normal strength concretes. However, if steel fibre reinforcement is used in combination with bar reinforcement, the advantages of both components are additive in the composite material. Especially for enhanced requirements concerning the crack width (order of magnitude: 0.1 mm), with combined reinforcement of rebars and fibres an essential improvement compared to reinforced concrete can be achieved. In part 1 of this contribution the mechanical relationships required for the understanding of the different behaviours of the two reinforcing elements “rebars” and “fibres” have been presented. In part 2 the derived relationships are validated on the basis of experimental investigations on tensile members with combined reinforcement made of ultra‐high‐performance concrete (UHPC). For UHPC the topic is of special interest, because fibres are added to these concretes generally to improve ductility. The crack width control with combined reinforcement is furthermore illustrated by means of two examples.     

Querkraftbemessung von bügel‐ oder wendelbewehrten Bauteilen mit Kreisquerschnitt

Für bügel‐ oder wendelbewehrte Stahlbetonbauteile mit Kreisquerschnitt – mit oder ohne zusätzlich drückenden Normalkräften – werden aus dem speziellen inneren Schubfluss die Spannungen in Bügeln und im geneigten Druckfeld abgeleitet und in Widerstandsgleichungen zur Querkraftbemessung umgesetzt. Die Gleichungen besitzen die bekannte Form aus DIN 1045‐1 bzw. EC2 und sind erweitert durch einen so genannten Wirksamkeitsfaktor, welcher die Widerstände gegenüber Rechteckquerschnitten auf rund 75% herabsetzt. Alternativ zur bekannten Gleichungsart wird eine additive Widerstandsform aus Betontraganteilen, Fachwerkwirkung und Sprengwerk für die maßgebende Zugstrebentragfähigkeit vorgeschlagen. Eine umfangreiche Versuchsserie verifiziert die Ansätze und zeigt Einzeleffekte von Bügelspannungen, Bewehrungsgrad und Bügelaktivierung sowie Wendel‐ und Normalkrafteinflüsse. Shear Design of Members with Circular Sections Reinforced by Stirrups or Spirals For RC members with circular sections the stresses within stirrups or spiral reinforcements as well as within the inclined compression field are derived from the specific inner shear flow and elaborated to gain equations for the shear resistances. The equations use the established scheme of DIN 1045‐1 or EC 2 extended by an efficiency factor reducing resistances compared to rectangular sections to about 75%. Alternatively, an additive approach for the resistance of the tensile strut is proposed. It sums up from concrete contributions, strut‐and‐tie actions as well as arch contributions introduced by axial forces. Both approaches are verified to experimental data taken from extensive test series. The characteristics of stirrup stresses and stirrup activation as well as effects from the shear reinforcement ratio, the use of inclined spirals and axial forces are presented.     

Tragverhalten von Flachdecken aus Stahlfaserbeton im negativen Momentenbereich und Bemessungsmodell für das Gesamtsystem

Der vorliegende Artikel befasst sich mit dem Tragverhalten von Flachdecken aus Stahlfaserbeton im negativen Momentenbereich. Zugkräfte werden allein von den in der Betonmatrix eingebetteten Stahlfasern aufgenommen, letztere ermöglichen in einer Dosierung von 100 kg/m³ (1.3 % des Volumens) eine hohe Rotationsfähigkeit bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit. In einer ersten Phase kann anhand von Laborversuchen an Deckenausschnitten gezeigt werden, dass bei Flachdecken mit reiner Faserbewehrung und unter rotationssymetrischer Belastung kein Durchstanzen auftritt und sich ein Biegeversagen mit deutlicher Bruchlinienbildung einstellt. Neben den erhaltenen Informationen über Versagensart und ‐last konnte ebenfalls eine abfallende Faserwirksamkeit mit steigender Plattendicke festgestellt werden. Kombiniert mit den experimentellen Untersuchungen kann anhand nicht‐linearer FE‐Simulationen der Einfluss von Aussparungen bei lokalem Plattenversagen im Stützenbereich auf die Traglast beschrieben werden. Anhand der Festigkeitsstreuungen und einem semi‐probabilistischen Sicherheitskonzept wird ein Sicherheitsfaktor hergeleitet, welcher es ermöglicht, einen Bemessungswert der Querschnittstragfähigkeit zu berechnen. Wegen dem experimentell festgestellten Biegeversagen wird die Bruchlinientheorie als Rechenmodell angewendet. Bearing Capacity of Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) Flat Slabs in the Negative Bending Moment Area and Design Model for the Complete System The present paper deals with the bearing behaviour of steel fibre reinforced concrete (SFRC) flat slabs in the negative bending moment area. Tensile forces are carried only by steel fibers. The latter allow, due to a dosage of 100 kg/m³ (1.3% in volume), a high rotation capacity with simultaneously high bearing capacities. In a first step experimental analysis showed that under symmetrical loading no punching shear failure occurred. A bending behaviour with creation of yield lines was observed for all test specimens. Furthermore, a decreasing fibre orientation with growing plate height could be noticed. The effect of openings in the column area on the bearing capacity loss in a local failure were evaluated with the use of non‐linear finite element software. Scatter in bending tensile strengths was used to calculate a safety factor by the means of a semi‐probabilistic safety concept. Eventually, slab design is performed by using yield line theory.