Entwicklung eines Stützen-/ Deckenknotens für hochtragfähige Schleuderbetonstützen

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt einen Detailbereich aus dem Stahlbetonskelettbau. Sie geht auf den Anschlussbereich von Deckenplatten aus Normalbeton an hochtragfähige Fertigteilstützen, im Speziellen Schleuderbetonstützen aus hochfestem Beton mit Längsbewehrungsgraden bis 15% ein. Insbesondere die Durchleitung der Stützenlast durch die Stahlbetondecke wird umfassend untersucht.<br />Die gebräuchliche Bauweise einer Stahlbetondecke aus Normalbeton, die zwischen zwei hochtragfähigen Stützen angeordnet wird, bewirkt eine Schwachstelle auf Grund des Festigkeitsunterschieds zwischen Decken- und Stützenbeton und der Unterbrechung der Stützenbewehrung. Das kann zu einer Verringerung der Tragfähigkeit und zu Problemen hinsichtlich der Gebrauchstauglichkeit wegen großer Verformungen der Decke führen. Es werden gebräuchliche Verstärkungsvarianten des Detailbereiches gezeigt und die technischen Grenzen wie auch die Wirtschaftlichkeit in Verbindung mit der Schleuderbetontechnologie dargestellt. Eine für Schleuderbetonstützen optimierte Stützen-/ Deckenknotenausbildung, mit der Anordnung eines hochfesten Kerns, wird vorgestellt. Der wirtschaftliche Vorteil der neuen Lösung ist, dass der hochfeste Kern in einem Arbeitsgang mit der Stütze hergestellt werden kann. Bei dieser optimierten Lösung kann die teure, spannungsverteilende Kopfplatte am oberen Ende der Stütze entfallen. Eine mögliche Gefahr des tiefen Eindringens der Bewehrungsstäbe in die Mörtelschicht, was zu einem frühzeitigen Versagen des Stützen-/ Deckenknotens führen könnte, wird untersucht und ausgeschlossen.<br />Mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen wird versucht die Zusammenhänge des Tragverhaltens des Deckendurchleitungsbereichs zu klären und Grundlagen für weiterführende Untersuchungen mit Hilfe der Finite Elemente Methode zu schaffen. Diese Versuche lassen sich in zwei Bereiche aufteilen. Der erste Bereich umfasst Kleinversuche die grundlegend und gelöst vom Bauteil auf eine mögliche Erhöhung der Mörteldruckfestigkeit zwischen einem Bewehrungsstabende und einer Stahlplatte eingehen. Der zweite Bereich umfasst Bauteilversuche im Maßstab 1:1, die im Wesentlichen auf die Unterschiede im Tragverhalten bei Ausbildung des Durchleitungsbereiches mit und ohne hochfesten Kern eingehen. Bei allen Versuchen wird die teure obere Abschlussplatte weggelassen, um nachzuweisen, dass die Lastdurchleitung auch ohne eine spannungsverteilende Wirkung der Platte funktioniert.<br />Im Rahmen der Untersuchungen mit Hilfe der Finite Elemente Methode wird als erster Schritt versucht die Ergebnisse der Versuche möglichst genau nachzubilden und die entsprechenden Berechnungsparameter festzulegen. In einem zweiten Schritt wird eine Parameterstudie zur Ermittlung des Einflusses eines Deckenmoments auf das Trag- und Verformungsverhalten des Durchleitungsbereiches durchgeführt.<br />Auf der Grundlage der experimentellen Untersuchungen und der Finite Elemente Berechnungen wird ein Bemessungsmodell entwickelt, das ein einfaches Werkzeug für die Konstrukteure darstellen soll.

In this thesis a detail of the skeleton construction made of reinforced concrete is discussed. The focus is on the joint of slabs made of normal strength concrete to high capacity pre-fabricated columns, in this case spun concrete columns. These columns are made of high-performance concrete with reinforcement ratios up to 15 percent.<br />The load transfer of such columns through reinforced concrete slabs is investigated in detail.<br />The conventional construction of a slab of normal strength concrete, which is arranged between two high capacity columns, establishes a comparatively weak region because of large difference in concrete strength and interruption of column reinforcement. This can cause a decrease of the load bearing capacity and problems with the serviceability due to excessive deformations of the slab. Conventional designs used for such joints are shown and the technical limits as well as the efficiency of such designs are related to the spun concrete technology.<br />An optimized column-/ slab joint using a high strength core is presented. The economic advantage of the new design is that the high strength core and the column itself are produced in a single process.<br />This optimized construction allows omitting the expensive stress-distributing cap plate on the upper column end. A potential danger of the reinforcement bars to penetrate very far into the layer of mortar, which may lead to a premature failure of the column-/ slab joint is being analysed and eliminated.<br />The load bearing behaviour of the column-/ slab joint is investigated by experimental testing. These tests are a basis for further investigations using the finite element method. The tests are divided into two parts. The first part contains basic tests detached from the structural elements to determine a possible increase of mortar compressive strength between a reinforcement end and a steel plate.<br />The second part contains full-scale tests which show the difference in the load bearing behaviour with and without high strength core. In all tests the expensive cap plate is omitted to show that the load transfer is also possible without the stress-distributing effect of the plate.<br />The investigations with non-linear finite element methods first focuses on a high approximation of the experimental results by the numerical model and define the appropriate analysis method and model parameters.<br />Second, a parameter study where the influence of the bending moment of the slab on the load bearing and deformation behaviour is investigated.<br />Based on these experimental tests and the calculations using the finite element method a design model is developed that may be applied by design engineers.