Ein Verbundelement für nichtlineare Finite-Elemente-Analysen - Anwendung auf Übergreifungsstöße

Abstract

Mit der Weiterentwicklung der elektronischen Datenverarbeitung findet auch die rechnergestützte Tragwerk-Analyse mittels der Finite Elemente Methode (FEM) immer größeren Einzug in Forschung und Praxis. Nichtlineare dreidimensionale FE Programme werden zur wirklichkeitsnahen Simulation von Stahlbetonbauteilen eingesetzt, um deren Trag- und Verformungsverhalten zu untersuchen und Bemessungsregeln zu optimieren.

Die Funktion des Verbundwerkstoffes Stahlbeton beruht auf der Interaktion (Verbund) zwischen Bewehrung und umgebenden Beton. Damit beeinflussen die Verbundeigenschaften der Bewehrung wesentlich die Rissentwicklung in einem Stahlbetonbauteil sowie die globalen Tragwerksverformungen.

In umfangreichen numerischen Studien von komplexen Stahlbetonbauteilen ist eine detaillierte, dreidimensionale Modellierung der Bewehrungsstäbe meist nicht durchführbar. Deshalb ist eine möglichst einfache Realisierung der Verbundwirkung durch eindimensionale Stahlelemente in Kombination mit einem geeigneten Verbundelement erforderlich. Das zugehörige Verbundelement-Modell muss, bei einfacher Anwendung und zahlreichen Einsatzmöglichkeiten, gleichzeitig die wesentlichen Verbundeigenschaften und die Einflüsse veränderlicher Faktoren mit einbeziehen. Mit einem geeigneten Ansatz für die Verbundelemente besteht die Möglichkeit mit relativ geringem Modellierungs- sowie Rechenaufwand das Verbundverhalten in unterschiedlichen Stahlbetonbauteilen zu simulieren.

Für die realistische Simulation des Verhaltens von Stahlbeton wurde ein neues diskretes Verbundelement in ein dreidimensionales nichtlineares FE Programm implementiert. Das verwendete Verbundelement-Modell basiert auf einer vereinfachten Verbundspannungs-Relativverschiebungs-Beziehung und berücksichtigt veränderliche Verbundeinfluss-Faktoren wie Spannungs- und Dehnungszustände in der Bewehrung und dem umgebenden Beton.

Zur Kalibrierung der Modell-Parameter sowie zur Überprüfung der Anwendbarkeit des Verbundelements wurden numerische Vergleichsuntersuchungen zum Verbundverhalten bei Scherbruch- und Sprengrissversagen sowie bei verschiedenen Einflüssen und Randbedingungen durchgeführt. Zur Validierung der in den numerischen Studien ermittelten Modell-Parameter und der Anwendungsmöglichkeiten der Verbundelemente wurden Ergebnisse von Versuchen verwendet, in welchen eine Kombination wesentlicher Verbundeinflüsse vorlag.

Die Anwendbarkeit der neuen diskreten Verbundelemente wurde in einer numerischen Studie zum Verhalten von zugbeanspruchten Übergreifungsstößen gezeigt. Dabei wurden Stöße bei verschiedenen Brucharten untersucht und besonderes Augenmerk auf den Einfluss von Betondruckfestigkeit, Übergreifungslänge und Querbewehrung gelegt. Die numerischen Ergebnisse wurden mit den aus der Literatur bekannten Ansätzen zur Berechnung der Bruchstahlspannung von Übergreifungsstößen verglichen. Basierend auf diesen Untersuchungen wurde ein modifizierter Ansatz vorgelegt und damit ermittelte Bruchstahlspannungswerte wurden abschließend mit Werten einer Datenbank, bestehend aus vorhandenen experimentellen Ergebnissen, verglichen.

With the continued increase in computing resources, three-dimensional computer-aided structural analysis using the Finite Element Method (FEM) has experienced a steady increase in use in research and practice. Nonlinear three-dimensional FE programs are used to simulate realistic behavior of reinforced concrete (RC) structures, in order to better understand the stress and strain states in structural members as well as to verify and improve design codes.

The interaction between concrete and reinforcement (bond) ensures the transmission of forces between reinforcing steel and the surrounding concrete. Hence, the behavior of RC structures, e.g. deformation, cracking and durability, is strongly influenced by the bond properties of the reinforcing steel.

In sophisticated simulations of RC structures with varying boundary conditions, three-dimensional modeling of the reinforcement is often not feasible. Therefore a one-dimensional representation of reinforcement with a bond interface element based on an appropriate bond model is required. This model must account for the main influencing parameters on bond behavior and also be adaptable for the application using new reinforcing materials in concrete structures. By using a bond interface element, a simplified FE model can be generated with less complex meshes and geometries and a realistic simulation of the load-bearing capacity and the deformation behavior of reinforced concrete structures can be obtained.

For the realistic numerical simulation of the behavior of reinforced concrete, in particular for complex structural members where bond behavior plays a decisive role, a new discrete bond element has been implemented into a fracture analysis based nonlinear three-dimensional FE program. The model used for the bond element is based on a simplified bond stress-slip relation and can easily be modified to take into account the important factors influencing bond. It also accounts for the influence of strain and stress in reinforcement and concrete on bond strength.

To calibrate and validate the bond element model, experimental investigations on special pull-out tests with short and long embedment length and on structural members are simulated with the new discrete bond elements. The results of the numerical and experimental investigations are compared and the significant characteristics are analyzed. Using these results the bond element model and the main parameters employed in the bond element model are determined and verified.

To demonstrate the applicability of the new bond elements numerical investigations on lap splices under tension have been carried out. Specific attention is put on the influences of concrete strength and lap length, as well as transverse reinforcement on the behavior of splices. Using these results, present analytical models for describing the failure load of lapped splices are reviewed with respect to the main influencing parameters. On basis of these investigations a modified approach for calculating steel stress at failure of lapped splices is proposed and compared with a database of existing experimental results.