Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Betondeckung hochbewehrter Stahlbetonstützen

Abstract

Ziel der heutigen Architektur ist die Planung und Erzeugung von ästhetischen Konstruktionen unter Anwendung von schlanken, filigranen Elementen. Durch die wachsenden Grundstückpreise und die begrenzte Kapazität von Städten wird das Streben nach höheren Gebäuden mit maximierten Nutzungsflächen immer zutreffender. Diese Anforderungen bedeuten gleichzeitig eine große Herausforderung im Bereich der Werkstofftechnologie. Es sind schlanke Druckglieder mit hoher Tragfähigkeit erforderlich.Ein beliebtes Material aufgrund seiner planerischen und ausführungstechnischen Einfachheit ist der Stahlbeton. Um hohe Tragfähigkeit erreichen zu können ist Stahlbeton oft mit Stahl kombiniert (Verbundkonstruktion) oder die Ausführungsart ist speziell gewählt (z.B. Schleuderverfahren). Durch die stetigen Entwicklungen in der Materialwissenschaft sind heute die Erfüllung der zuvor genannten Bedürfnisse durch die Anwendung hochfester Materialien ebenfalls möglich. Eine wichtige Komponente hochfester Druckglieder ist der hochfeste Beton. Heute lassen sich Betone mit einer Druckfestigkeit über 200 N/mm2 produzieren. Die andere Komponente der hochfesten Stützen ist die hochfeste Bewehrung. Als Beispiel kann das von der Firma Annahütte hergestellte Bewehrungssystem SAS 670/800, mit einer charakteristischen Streckgrenze von 670 N/mm2 genommen werden. Aus diesen Materialien lassen sich Stützen, im Vergleich zur herkömmlichen Stahlbetonstützen, mit einem Bewehrungsgrad von bis zu 20 % herstellen.Bisher wurden hochfeste Stützen bei den Ausführungsprojekten kaum eingesetzt und daher konnte nur wenig Erfahrung gesammelt werden. Zusätzlich ist die Bemessung laut aktuellen Normen nicht möglich, da der EUROCODE 2 Betonstähle bis zu einer charakteristischen Streckgrenze von 600 N/mm2 regelt. Außerdem gibt es andere Begrenzungen, wie die maximale Stauchung von Druckgliedern oder der maximale Bewehrungsgrad in einem Querschnitt, die die Anwendung von hochfestem Bewehrungsstahl unmöglich machen. Erst im Jahr 2018 durch eine europäische technische Zulassung (ETA-13/0840), wurden diese Begrenzungen aufgehoben.Um schlanke Stützen mit hohem Bewehrungsgrad errichten zu können, ist es wirtschaftlich derartige Stützen mit großem Stabdurchmesser auszuführen. Allerdings zieht ein großer Stabdurchmesser auch große Betondeckung nach sich, die nach einer eventuellen Abplatzung nicht mehr mitwirken könnte. Aus diesem Grund wurden im Zuge dieser Arbeit an der TU Wien experimentelle Untersuchungen an hochfesten Stützen durchgeführt. Bei den Versuchen wurde untersucht, welche Einflüsse die Betondeckung auf die Normalkrafttragfähigkeit von zentrisch gedrückten hochfesten Stützen hat. Ein Fokus wurde ebenfalls auf den Einfluss von Stoßverbindungen gelegt.Die vorliegende Arbeit dient dem besseren Verständnis des Tragverhaltens von hochfesten Druckgliedern. Es werden neben der Regelung laut aktuellen Normen auch die durch Untersuchungen bewiesenen Bemessungsvorschläge von Autoren beschrieben. Im Anschluss werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sowohl mit händischen als auch mit numerischen Berechnungen nachgerechnet.

Due to the increasing price of land and the limited capacity of cities, there is a market for taller buildings with higher floor area ratios. At the same time, architectural designs call for slender, delicate elements in order to create aesthetically pleasing structures. These two requirements represent a major challenge in the field of materials engineering and offer an opportunity for slim compression members with high load-bearing capacity.Reinforced concrete is a popular material due to its simplicity in planning and execution. In order to achieve columns with high load-bearing capacity, reinforced concrete is often combined with steel, or the column is specially executed (e.g. with centrifugal method). Due to recent advances in material science, the availability of high-strength materials can also play a role in the capacity of load-bearing members. For example, high-strength concrete with compressive strengths over 200 N/mm2 can be produced. Likewise, the SAS reinforcement system produced by the Annahütte company has a characteristic yield strength of 670 N/mm2. These materials can be used to produce columns with a reinforcement ratio up to 20 % compared to conventional reinforced concrete columns.However, high-strength columns have rarely been used in projects and there is little experience with high-strength columns. Additionally, designing with high-strength columns is not possible according to current standards since EUROCODE 2 regulates reinforcing steels up to a characteristic yield strength of 600 N/mm2. There are also other code-limitations, such as the maximum compressive force or the maximum reinforcement ratio in a cross-section, which make the application of high-strength steel impossible. Only in 2018, through a European technical approval (ETA-13/0840), these limitations were removed.In order to economically design high-strength columns with high reinforcement ratios, a large bar diameter is required. However, a large bar diameter also requires sufficient concrete cover which will not contribute to the post-spalling strength. This behavior was the focus of lab tests carried out at the Vienna University of Technology. During the tests, the influence of the concrete cover on the load-bearing capacity of centrically loaded high-strength columns was investigated. A focus was also placed on the influence of butt joints.This work serves to improve the understanding of the load-bearing behavior of high-strength compression members. It describes the regulation according to current standards as well as design proposals backed by material testing. Subsequently, the results of the lab tests are presented with both data and theoretical calculations.