Untersuchungen zur Rissentwicklung und Versagensverhalten von Rahmenecken

1. Untersuchungen zur Rissentwicklung und Versagensverhalten von Rahmenecken Prof. Dr. -Ing. D. MähnerFachhochschule Münster, Corrensstraße 25, 48149 Münster

2. Rahmenecken Nachfolgend wird die Tragfähigkeit unterschiedlich bewehrter Rahmenknoten im Zuge von Laborversuchen dargestellt. Dabei handelt es sich um Rahmenknoten, die mit einem negativen Moment belastet sind. Die unterschiedlichen Rissbilder und die Versagensformen werden dabei dargestellt und erläutert. Alle Berechnungen für diesen Versuch erfolgten unter Berücksichtigung des Eurocode 2 (DIN EN 1992-1-1) mit Nationalen Anhang. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

3. Einleitung • In dieser Versuchsreihe wurden Rahmenecken aus Stahlbeton mit einemnegativen Moment belastet. Während der Versuchsdurchführung dokumentierten die Studierenden die Rissentwicklung des Rahmen in Abhängigkeit der aufgebrachten Last. • Des weiteren wurden diverse Messtechniken verwendet (Kraftmessdose, Weg-aufnehmer), um qualitativ das Verformungsverhalten (Weg) des Rahmenriegel in Abhängigkeit zur aufgebrauchten Last (Kraft) zu ermitteln. • Es wurden 3 Versuchskörper untersucht, die sich in ihrer Art der Bewehrungs-führung im Knotenbereich unterschieden haben. • Großer Biegerollendurchmesser (20 Ø); übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt; verankern der Bewehrung mittels Winkelhaken • Großer Biegerollendurchmesser (20 Ø); übergreifen der Bewehrung im Riegel; kein verankern der Bewehrung mittels Winkelhaken • Kleiner Biegerollendurchmesser (4 Ø); übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt; verankern der Bewehrung mittels Winkelhaken von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

4. Vorbereitung der Rahmenecken Bemessung und Konstruktion System und Belastung Materialangaben: Beton: C 20/25 Baustahl: B500B Schnitt A-A F [kN] F [kN] Bemessungslast: F = 100 kN von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

5. Zustandslinien zur Bemessung -100 M N -87 -87 [kN] [kNm] Rahmenknotenpunkt V Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt -100 -100 N [kN] M M V von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

6. Finite Elemente Methode (FEM) Entwicklung eines Stabwerkmodels aus den Spannungstrajektorien Hier im Farbabstufungen deutlich gemacht 7,28 MN/m² • Zugstrebe 11,82 MN/m² • Druckstrebe • Querdruckstrebe -6,34 MN/m² Fs MEd -2,85 MN/m² Fc MEd 7,28 MN/m² Fs Fc [MN/m²] von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

7. Bemessung der Rahmenkonstruktion Biegebemessung im Riegel: (charakteristisch) Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt N M M V von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

8. Bemessung der Rahmenkonstruktion Biegebemessung im Stiel: (charakteristisch) Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt N M M V von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

9. Bemessung der Rahmenkonstruktion Querkraftbemessung im Stiel des Rahmens: (charakteristisch) Schnittgrößen am Rahmenknotenpunkt N M M V von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

10. Bemessung der Rahmenkonstruktion Nachweis der erforderlichen Querkraftbewehrungim Stiel des Rahmen (charakteristisch) Querkraftbewehrung im Riegel des Rahmen Im Riegel des Rahmen werden konstruktiv Bügel mit einem Ø 6 mm und einen Abstand von 20 cm zueinander eingelegt, um einen vollständigen Korbverbund zu gewährleisten. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

11. Bemessung der Rahmenkonstruktion Ermittlung der Übergreifungslänge der Bewehrung Am Beispiel des Prüfkörper 2 (charakteristisch)Übergreifen im Riegel des Rahmen Sofern keine angeschweißten Querstäbe vorhanden sind (α4) kann vereinfacht folgende Gleichung angewandt werden. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

12. Bemessung der Rahmenkonstruktion Übergreifen der statisch erforderlichen Bewehrungim Knotenbereich der Rahmenecke ( Hinweis: Die Berechnung der Übergreifungslängen erfolgte unter Ansatz von guten Verbundbedingungen aufgrund der liegenden Herstellung der Rahmenecken. Im Knotenpunkt des Rahmens(Wand - Deckenanschluss) Im Knotenpunkt des Rahmens mit zusätzlicher Verankerung Im Riegel des Rahmensohne zusätzlicher Verankerung von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

13. Bewehrungszeichnung von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

14. Bewehrungszeichnung von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

15. Bewehrungszeichnung von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

16. Bewehrung in der Schalung Prüfkörper 1 HT-Rohr zur Durchführung des Zugbandes(Gewindestange) • Übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt • Zugkraftumlenkung mit einem großen Biegerollen-durchmesser • Verankerung der Bewehrung mit Winkelhacken von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

17. Bewehrung in der Schalung Prüfkörper 2 • Übergreifen der Bewehrung im Riegel • Zugkraftumlenkung mit einem großen Biegerollen-durchmesser • keine Verankerung von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

18. Bewehrung in der Schalung Prüfkörper 3 • Übergreifen der Bewehrung im Knotenpunkt • Zugkraftumlenkung mit einem kleinen Biegerollen-durchmesser • Verankerung mit Winkelhacken von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

19. Betonieren und vorbereiten der Versuchsdurchführung Zur Erleichterung der Rissbild-dokumentation wurden die Prüfkörper mit weißer Dispersions-farbe angestrichen und die Bewehrungsführung aufgezeichnet Ausgeschalte Versuchskörper Betonieren der Versuchskörper Zuletzt wurde die Prüfungseinrichtung (Druckzylinder, Weg-aufnehmer und eine Kraftmessdose) der Rahmenecken montiert Probekörper zur Festigkeitsprüfung von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

20. Prüfungseinrichtung Stahlplatten zur gleichmäßigen Lasteinleitung Wegaufnehmer Stahlkonterplatten zur gegenseitigengleichmäßigen Lasteinleitung Kraftmessdose Druckzylinder Unterstützung für den Druckzylinder Gewindestange als Zugband+ PVC Rohr als Schutzmantel Rollenlagerung von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

21. Ermittlung von Materialkennwerten Prüfen des Betons und des Betonstahls (Festigkeitsprüfung) von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

22. Prüfung des verwendeten Betons Im Rahmen der Versuchsreihe wurden Prüfkörper zur Bestimmung der Festigkeiten des Betons erstellt. (9 Würfel, 3 Zylinder) von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

23. Prüfung des verwendeten Betonstahls Bestimmung der Betonstahlkennwerte nach DIN 488 (2009-08) von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

24. Versuchsdurchführung Erläuterungen zur Rissentwicklung und Versagensursache der Rahmenecken von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

25. Prüfkörper 1 Rissbilder nach aufbringen der Last F = 80 kNund Rissbilder max. F = 150 kN • Entstehung von Biegerissen, die einen eindeutigen Verlauf zur Rahmeninnen-ecke aufweisen. • Kaum eine Rissentwicklung im Knoten-bereich (hoher Bewehrungsgrad) • Nach erreichen der Last von ca. 150 kN nahmen die Verformungen des Stiels überproportional zu. Besonders die in Rot markierten Risse öffneten sich sehr stark. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

26. Versagensursache Prüfkörper 1 Da das Zugband (Gewindestange) zur Kraftübertragung zum gegenüberliegenden Stiel des Rahmens bei einer Belastung von 150 kN schon sehr starke Biegeverformungen aufzuweisen hatte, wurde aufgrund von Sicherheitsbedenken der Prüfkörper 1 nicht bis zum endgültigen Bruch belastet. Allerdings kann festgehalten werden, dass sich bei einer Belastung von 135 kN die Risse an den Knotenschnittstellen zum Stiel und Riegel stark auftaten. Die Bewehrung fing an zu fließen. Die Verformungen nahmen bis 150 kN immer stärker zu, sodass man vermuten kann, dass die Bewehrung an den Schnittstellen im Bereich von 150 bis 200 kN versagt hätte. (genaueres konnte nicht ermittelt werden) Außerdem entstand ein Schubriss vom Lasteinleitungspunkt bis zur Rahmen-innenecke. Zusätzlich hätte der Versuchskörper demnach auf Schub versagen können. Da sich allerdings die Biegerisse zum Zeitpunkt des entwickelten Schubrisses stärker auftaten ist ein versagen auf Schub demnach auszuschließen. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

27. Rissbilder Prüfkörper 1 Linke Rahmenecke Entstehen von Biegerissen am Anschnitt der Rahmenecke Erste Biegerisse im Rahmeneck-bereich Riegel des Rahmen Riss vorwiegend parallel zur Bügelbewehrung Gleichmäßige Rissentwicklung im Rahmenriegel Rechte Rahmenecke Biegezugrisse im Knotenpunkt des Rahmen Aufweitender Risse am Anschnitt von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

28. Prüfkörper 2 Rissbilder nach aufbringen der Last F = 125 kNund Rissbilder Bruchzustand • Entstehung von Biegerissen, die einen eindeutigen Verlauf zur Rahmeninnenecke vorweisen. • Zusätzliche Rissentwicklung entlang der Bewehrung im Knotenpunkt. • Nach erreichen der Last von 134 kN, versagte die Rahmenecke. Maßgebend für das Versagen war der Übergreifungs-bereich der Biegezugbewehrung im Riegel des Rahmen. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

29. Versagensursache Prüfkörper 2 Abplatzung im Übergreifungsbereich Im Bereich der Übergreifung resultieren, durch eine angedachte Fachwerkausbildung oberhalb und unterhalb der Bewehrung, hohe Querzug-spannungen im Beton. Beim überschreiten der max. aufnehmbaren Zugspannung des Betons, kam es dann zum Versagen des Betons im Bereich der Übergreifung. • Die Folgen waren: • starke Abplatzungen oberhalb der Bewehrung im Bereich der Übergreifung und • starke Verformungen des Gesamtsystems durch Verbund-verluste zwischen Beton und Betonstahl im Übergreifungsbereich Querzugspannungen Druckstrebe Fs Fs von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

30. Rissbildentwicklung Prüfkörper 2 Linke Rahmenecke Biegezugrisse im Knotenbereich zur Rahmen-innenecke zulaufend Sammelbiege-risse am Rahmenecken-anschnitt Riegel des Rahmen Riss vorwiegend parallel zur Bügelbewehrung Gleichmäßige Rissentwicklung im Rahmenriegel Rechte Rahmenecke Entstehen von Längsrissen parallel zur Bewehrungs-führung Biegerisse am Anschnitt der Rahmenecke von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

31. Prüfkörper 3 Rissbilder nach aufbringen der Last F = 115 kNund Rissbilder Bruchzustand • Entstehen von Biegerissen, die einen eindeutigen Verlauf zur Rahmeninnen-ecke vorweisen. • Entstehen von Spaltrissen in der Außen-ecke des Rahmens • Nach erreichen einer Last von 115 kN führten die Druckspannungen imUmlenkbereich der Bewehrung zu einemSpaltzugversagen des Betons. (siehe Schnitt A-A auf der folgenden Seite) von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

32. Versagensursache Prüfkörper 3 Abplatzungen der übergreifenden Bewehrung im Umlenkbereich Grundriss des Knotens A Schnitt A-A σp A Querzugspannungen Druckspannungen Der sehr kleine Biegerollendurchmesser (4 Ø) der Bewehrung verursacht sehr hohe Umlenkkräfte und folgend hohe Druckspannungen im Umlenkbereich. Durch die geringe Umlenklänge wurden die Druckspannungen sehr stark konzentriert, sodass es zu einem Spaltzugversagen kam. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

33. Rissbildentwicklung Prüfkörper 3 Linke Rahmenecke Biegezugrisse im Knotenbereich zur Rahmeninnen-ecke zulaufend F = 115 kN F = 100 kN F = 90 kN Rechte Rahmenecke Sammelrisse im Verankerungs-bereich der Bewehrung F = 80 kN F = 70 kN F = 100 kN von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

34. Vergleich der Prüfkörper untereinander • Zu Prüfkörper 1: • es wurde nicht bis zumBruchzustand belastet • bei 150 kN fing die die Bewehrung an zu fließen • Das Ersatzstreckgrenzen-verhältnis ist 1,165(Zugfestigkeit/Fließgrenze) • max F = 150 kN x 1,165 = 175 kN 175 134 115 [kN] (Biegezugversagen) (Übergreifungsversagen) (Spaltzugversagen) von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

35. Fazit Grundlegend kann gesagt werden, dass bei stark beanspruchten Rahmeneck-konstruktionen der Biegerollendurchmesser möglichst groß gewählt werden sollte. Dabei gibt die DIN EN 1992-1-1 einen Mindestbiegerollendurchmesser Dminin Tabelle 8.1DE vor. Ein oberer Grenzwert von Dmin liegt nicht vor. Die Wahl eines zu großen Biegerollendurchmessers führt allerdings zu sehr hohen Zugkräften in der Biegezugbewehrung (kleinere stat. Nutzhöhe) und folgend zu einer größeren erforderlichen Biegezugbewehrung im Rahmeneckbereich. Bei der Verwendung von kleinen Biegerollendurchmessern, bei z.B. Wand/Decken-Anschlüsse, entstehen sehr große Umlenkkräfte, die zu einem Spaltzugversagen im Beton führen können. Daher wird empfohlen diese Art der Bewehrungsführung (Knoten, Versuchskörper 3)nur bei schwach beanspruchten Bauteilen verwendet werden. Um einer Spaltzugversagen zu vermeiden sollten zusätzlichen Steckbügel zur Umfassung der Biegezugbewehrung eingebaut werden. von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken

36. Fazit Das Übergreifen der Bewehrung in stark belasteten Bereichen (Riegel, Versuchs-körper 2) sollte, wenn es konstruktiv möglich ist, vermieden werden. Ansonsten empfiehlt es sich, die Bewehrung mit einem Winkelhakenzusätzlich zu verankern. Die effektivste Methode ist das Übergreifen der Bewehrung im Knoten mit zusätzlicher Verankerungmit einem großen Biegerollendurchmesser(z.B. 20 Øsnach DIN EN 1992-1-1, Tabelle 8.1DE, (2011-01)).Die Rahmenkonstruktion verhält sich, auch bei großen Belastungen, wesentlich duktiler, da es weder zu einem Versagen der übergreifenden Bewehrung (Übergreifen im Umlenkbereich und eine zusätzliche Verankerung der Bewehrung) noch zu einem Spaltzugversagen (kleine Umlenkkräfte) kommt. Bewehrungszeichnung Rahmenecke (anklicken) Poster Rahmenecke (anklicken) von 36 Prof. Dr. -Ing. D. Mähner | Untersuchungen zur Rissentwicklung von Rahmenecken