Untersuchung einer Stahlbetonplatte

Inhaltsverzeichnis

Definition

1. Einleitung
1.1 Grundlage
1.2 Vorgehensweise
1.3 Ziel des Projekts

2. Bemessung der Stahlbetonplatte
2.1 System und Bemessung
2.2 Einwirkungen
2.2.1 Ständige Lasten (Plattengewicht + Glockenlasten)
2.2.2 Veränderliche Laste
2.3 Berechnung nach EDV
2.4 Bemessung
2.4.1 System
2.4.2 Bewehrungsberechnungen
2.5 Mindestbewehrung
2.6 Gewählte Bewehrung

3. Herstellung Modell [theoretischer Ansatz]
3.1 Allgemeines
3.2 Bewehrung
3.3 Umrechnung auf Modell
3.4 Bewehrungspläne

4. Herstellung Modell [praktischer Teil]
4.1 Allgemeines
4.2 Bewehrung
4.3 Betonrezeptur
4.4 Beton
4.4.1 Schalung
4.4.2 Betonherstellung
4.5 Herstellung eines Mikrobetonmodells
4.6 Nachbehandlung des Betons

5. Ermittlung der Versuchslasten
5.1 Allgemeines
5.2 Gebrauchslast
5.2.1 Möglichkeit a) Gesamtlast-[Plattenlast+Lastgeschirr]
5.2.2 Möglichkeit b) Zusätzliche Last-Lastgeschirr
5.2.3 Laststufe 1
5.2.4 Laststufe 2
5.2.5 Laststufe 3
5.3 Versuchsziellast
5.4 Risslast
5.5 Bruchlast
5.6 Zusammenfassung Lastenermittlung

6. Versuchsaufbau
6.1 Allgemein
6.2 Messtechnik / Messplanung
6.2.1 DMS
6.2.2 Wegaufnehmer
6.2.3 Kraftmessdose
6.2.4 Messplanung
6.3 Aufbau
6.3.1 Lastgeschirr
6.3.2 Lastgeschirrplan

7. Versuchsdurchführung und Interpretation
7.1 Lastregime
7.2 Versuchsergebnisse
7.3 Allgemeines
7.4 Diagramme Platte 1
7.4.1 Durchbiegung [Wegaufnehmer]
7.5 Messplan Platte 2
7.5.1 Durchbiegung [Wegaufnehmer]
7.5.2 Dehnung [DMS]

8. Auswertung und vergleich der Ergebnisse
8.1 Stahlbetonplatte
8.1.1 Rechnerische Beurteilung
8.1.2 Gebrauchslast, Versuchsziellast und Risslast
8.1.3 Bruchlast

9. Zusammenfassung
9.1 Empfehlung Bauherr

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anhang

Bezeichnungen

Bezeichnung der Ursache

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bezeichnung des Ortes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kennwerte der Werkstoffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Festigkeiten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aüßere Kräfte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Innere Kräfte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formänderungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Spannungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sonstige Zeichnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Definition

- Realmodell:

Das Realmodell ist ein Modell, das sich in allen möglichen Belastungsphasen, also von der Belastung Null bis zum Bruchzustand, ähnlich zur Hauptausführung verhält.

- Hauptausführung:

Die Hauptausführung eines Bauwerks, ist die Ausführung im Maßstab 1:1, auf die sich ei- ne Modelluntersuchung bezieht.

- Mikrobeton:

Die Betone sollen nach den verschiedenen Kornbereichen der Zuschläge in folgende Gruppen eingeteilt werden:

Maximales Zuschlagskorn 15-30 mm Normalbeton

Maximales Zuschlagskorn 0 - 3 mm Mikrobeton

Bindemittel für alle Betone ist in diesem Sinn, der Zement.

1. Einleitung

Bei komplizierten Tragwerken oder solchen mit schwierig erfaßbaren Randbedingungen treten oft experimentelle Untersuchungen an die Stelle der statischen Berechnungen oder dienen zumindest als Ergänzung bzw. Bestätigung der analytisch erhaltenen Werte. Der Großteil der noch ungeklärten Fragen kommt dabei im Bauwesen aus dem Bereich des Stahlbetonbaus. Dies liegt zum einem an dem eigenen, oft nur schwer erfaßbaren. Tragverhalten, zum anderen an den vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten der Materialien Stahl und Beton. Aus wirtschaftlichen und versuchstechnischen Gründen wird man bei solchen Untersuchungen das Tragwerk möglichst verkleinert als Modell mit einem definierteren Maßstab Lv rekonstruieren und unter entsprechenden Belastungen prüfen.

Beim Modellversuch kommt es darauf an, das tragende System der Hauptausführung nicht nur geometrisch genau nachzubilden, sondern auch das Tragverhalten im Detail und das Zusammenwirken aller einzelnen Elemente zu erfassen. Hierbei gilt es aus dem erworbenen Wissen Rückschlüsse auf die Hauptausführung ziehen zu können. Dies bedeutet, dass Modelle die während zunehmender Belastung dessen eintretende Umlagerungen nachvollziehen zu können, wie sie bei Traglastversuchen in der Hauptausführung auftreten. Modell, die diese Anforderungen erfüllen, werden im folgenden als Realmodell bezeichnet, im Gegensatz zu den Modellen , die nur für Messungen im elastischen Bereich geeignet sind .Für die letzteren bieten sich als Werkstoff Mikrobeton, an, wobei im Modell stets der Zustand I ohne gerissene Zugzone vorliegt. Realmodelle erfassen auch den Zustand II mit gerissener Zugzone; für sie kommen als Werkstoffe in erster Linie Stoffe auf minderalischer Grundlage in Frage, mit Zement als Bindemittel. Dessen Hauptanwendungsgebiet sind Untersuchungen des Verformungsverhaltens und der Rißbildung von Tragwerken. Einerseits unter Gebrauchslast und anderseits der Traglastversuche zur Ermittlung des Tragverhaltens bei teilweiser Plastifizierung des Materials und der Bestimmung der bei Gebrauchslast tatsächlich vorhandenen Sicherheiten gegenüber dem Brauchzustand. Voraussetzung hierfür ist die Dehnungsgleichheit zwischen Modell und Haupausführung im gesamten Belastungsbereich (εv=1 ).

1.1 Grundlage

Ausgangssituation: Ein Bauherr möchte ein bestehendes Bauwerk, einen Glockenturmplatte, auf seinen statischen Eigenschaften, seine Tragfestigkeit, untersuchen lassen. Aktuell ist eine Glocke installiert, welche eine Last von 20 [kN] verursacht. Die Verkehrslast ist mit 2,0 [kN/m²] angesetzt.

Anforderungen: Der Bauherr möchte prüfen lassen, ob eine Glocke von 30 [kN] eingehängt werden kann und ob Umbaumaßnahmen getroffen werden müssen. Außerdem möchte er die Plattenkonstruktion als Aussichtsplattform nutzen. Hierfür möchte er ebenfalls Aussagen über die Tragsicherheit erhalten. Ebenfalls zu klären ist, ob die Verkehrslast auf 4,0 [kN/m²] erhöht werden kann und ob die Platte in diesem Fall noch sowohl stand- als auch betriebssicher ist.

Umsetzungen: Die Anforderungen des Bauherren werden untersucht. Zum einen wird die Platte berechnet und bemessen und zum anderen wird ein Versuch im Labor durchgeführt. Hierzu wird das Bauteil im Maßstab 1:10 rekonstruiert. Diese Arbeitsgruppe hat sich die Mühe gemacht zwei Platten herzustellen, um detailliertere Aussagen treffen zu können. Beide Platten weisen dieselben Betoneigenschaften auf. Auch die untere Bewehrung ist identisch. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass in eine der beiden Platten auch eine obere Bewehrung eingebracht ist [Drillbewehrung]. Die andere Platte, ohne Drillbewehrung, ist an den Eckpunkten eingespannt. Anhand der Ergebnisse werden Rückschlüsse auf die Hauptausführung geschlossen.

1.2 Vorgehensweise

Der theoretische Teil wird mit Hilfe der Programme „Friedrich und Lochner“ [Frilo], und „InfoCad“ durchgeführt. FriLo liefert hierbei den maßgebenden Werte, welche stetig mit den Ergebnissen von „InfoCad“ kontrolliert wurden. Außerdem wurde Teile dieser Arbeit per Handrechnung ergänzt.

Der praktische Teil, die Herstellung der Platte, erfolgt im Labor für experimentelle Statik in der Hochschule Bremen.

1.3 Ziel des Projekts

Ziel des Projekts ist dem Bauherren Aussagen über das Tragverhalten seines Bauwerks liefern zu können, zum einen anhand von Berechnungen, und zum anderen experimentell, durch einen Versuch.

Der Erkenntnisgewinn des Versuchs wird den schriftlichen Ergebnissen gegenübergestellt. Es wird untersucht, wie sich die Verstärkung von Bauteilen auf deren Gebrauchstauglichkeit auswirkt und in wie weit die Anordnung der Bewehrungsschicht Einfluß auf das Tragverhalten der Plattenkonstruktion hat. Bei den Belastungsversuchen werden Lastniveaus für Gebrauchslast, Risslast, Versuchsziellast und Bruchlast berechnet und auf die Plattenmodelle aufgebracht. Die Ergebnisse der Belastungsversuche werden den rechnerischen Ergebnissen gegenübergestellt und interpretiert.

2. Bemessung der Stahlbetonplatte

2.1 System und Bemessung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-1:System und Bemessung

- Baustoffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Betondeckung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Effektive Stützweiten

Lx= 4,2 m

Ly= 6,2 m

- Begrenzung der Biegeschlankheit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Einwirkungen

2.2.1 Ständige Lasten (Plattengewicht + Glockenlasten)

Eigengewicht aus Stahlbetonplatte : g1=0,2*25= 5,0 [kN/m²]

Eigengewicht aus Glocke und Glockenstuhl: ∑G= 20 [kN]

- Schwingbeiwert nach DIN 1055-3: Ф=1,4

Bei der Hauptausführung wird die Last der Glocke [Abb.2-1] über vier Stützen in das Bauwerk eingeleitet. Bei der Berechnung wurde auch die Fläche der Lastausbreitung (Abb.2-2) einbezogen, da die Ergebnisse somit realitätsgetreuer sind. [3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-2 Lastaufbreitung unter Einzellast

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-3 Einwirkungen (Eigengewicht und Glockenlasten)

2.2.2 Veränderliche Laste

Nutzlast: q = 2 [kN/m²]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-4 Einwirkungen (veränderliche Last)

2.3 Berechnung nach EDV

Nachfolgend sind die Berechnungen des Programms Frilo aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4 Bemessung

Anhand der EDV-Berechnungen wurde die Bewehrung festgelegt. Die Mindestbewehrung wurde zusätzlich mit Hand gerechnet [Kapitel 2.5]. Die Platte wurde horizontal (Schnitt 2) und vertikal (Schnitt 1) durch den Plattenmittelpunkt geschnitten. Für diese Schnitte wurden verschiedene Belastungen dargestellt.

2.4.1 System

Ergebnis-Schnitte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-5: System und Schnitt Darstellung

2.4.2 Bewehrungsberechnungen

Überlagerung: Untere Bewehrung as-1, as-2 [cm²/m] Gesamt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-6 : Untere Bewehrung as-1, as-2

2.5 Mindestbewehrung

Zur Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit muss im Stahlbetonbau eine Mindestbewehrung angeordnet werden, welche unkontrollierte Rissbildung vermeidet und die Rissbreiten auf ein zulässiges Maß beschränkt.[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.6 Gewählte Bewehrung

Anhand der Ergebnisse von Abb. 6 wurde die Bewehrung ausgewählt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Herstellung Modell [theoretischer Ansatz]

3.1 Allgemeines

Kapitel 3 beschreibt die Schritte, die getroffen werden müssen, um die Platte im Maßstab herstellen zu können. Hierzu zählt die Umrechnung der Bewehrung.

3.2 Bewehrung

Umrechnung der Bewehrung [Hauptausführung] auf das Microbeton-Modell-Platte. Hauptausführungen werden i.d.R. mit Bewehrungsmatten ausgestattet. Da es solche Matten für den Modellversuch nicht gibt, wurde Schweißdraht verwendet. Theoretische Kennwerte dieses Schweißdrahts liefert Tabelle.1. Auf praktische Eigenschaften wird im folgenden Kapitel 4 eingegangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Eigenschaften der Bewehrungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Querschnittsflächen Bewehrung

3.3 Umrechnung auf Modell

Modellausführung

Für die Modellausführung wurden die Daten aus der Hauptausführung im Maßstab 1:10 umgerechnet.[4]

Modellumrechnung

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Aussparungsbereich

(Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 7/10 cm) mit as=3,85 [cm²/m]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten1,0 Sm= = = 0,0118 m 1,2 cm [ Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 1,0/ 1,2 cm]

Gewählt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.4 Bewehrungspläne

Die Ergebnisse wurden durch FEM-Programm (Frilo) ermittelt und überprüft. Nachfolgend sind die Bewehrungsberechnungen sowie Bewehrungspläne zu sehen.[4]

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Abb. 3-1: Hauptbewehrung (untere Bewehrung)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3-2: obere und -Drillbewehrung

4. Herstellung Modell [praktischer Teil]

4.1 Allgemeines

Dieses Kapitel gibt Auskunft über die praktische Herstellung der Stahlbetonplatten und den damit verbunden Arbeitsschritten sowie Schwierigkeiten.

Dieser Teil wird chronologisch beschrieben:

- Bewehrung
- Beton
- Schalung
- Betonieren

Betonnachbehandlung

- Hochofen
- Schutzfolie
- Wasserbad
- Schutzfolie
- Meßtechnik

4.2 Bewehrung

Als Bewehrung wurde anhand der Berechnungen ein Kupferschweißdraht gewählt [Kap. 3.3]. Die Bewehrung wurde auf Maß zurechtgeschnitten. An jedem Knotenpunkt wurde mit Lötzinn eine Verbindung zwischen den einzelnen Schweißdrähten hergestellt.

Die unteren Bewehrungsstäbe verlaufen rechtwinklig zueinander (Abb.4-1). Die Enden wurden hochgebogen [1,5 cm], damit die Betondeckung sichergestellt ist. Außerdem soll der Verbund zwischen den Schweißdraht und dem Beton im Auflagerbereich verbessert werden. Nachteil des Schweißdrahts besteht darin, dass das Material Kupfer eine glatte Oberfläche aufweist und keine sonst Bewehrungsüblichen Rillen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-1 - Bewehrungsmatte

Die Aussparungen der Platten wurden mit zusätzlicher Randbewehrung verstärkt [DIN 1054].

Abbildung 4-2 zeigt die Drillbewehrung, Abbildung 4-3 die Bewehrung im Aussparungsbereich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-2 – Drillbewehrung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-3 – Randbewehrung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.3 Betonrezeptur

Die nachfolgende Berechnung zeigt, welche Menge der jeweiligen Komponenten notwendig ist, um den Microbeton herstellen zu können.

Massenberechnung für den Microbeton

Mikrobeton-Rezeptur für C20/25 (B25) besteht aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Volumen Berechnungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

StahlbetonPlatte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-4: Stahlbetonplatte mit Aussparung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gesamt Volumen Vgesamt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Benötigte Gesamtmasse Ggesamt in [kg]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten = 25 ≡ 2,5 kg/dm³ = 25 ≡ 2,5 kg/dm³

Ggesamt = Vgesamt * γC = 6,041 * 2,5 = 15,10 kg

Grundmasse Ggrund in [kg]

Ggrund = Gsand +Gzement + Gwasser = 1,35 + 0,386 + 0,193 = 1,929 kg

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 - Berechnung Betonrezeptur

Anzahl der benötigten Säcke (S)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4 - Berechnung Zement, Zuschlag und Wassermenge

4.4 Beton

Um die Stahlbetonplatte herzustellen wird eine Betonrezeptur verwendet. Hierbei handelt es sich um einen Microbeton C20/25, um ein Realmodell herstellen zu können. Um die Kennwerte dieses Betons zu ermitteln, wurden drei Probekörper zur Anstalt für amtliche Materialprüfung eingeschickt [Dokument befindet sich im Anhang]. Da für beide Platten eine Betonmischung verwendet wurde, werden eben nur diese drei Proben eingeschickt. Würde eine Platte mit neu angemischt werden, auch wenn die Rezeptur exakt die Selbe ist, müssen wiederum drei weitere Probekörper eingeschickt werden.

4.4.1 Schalung

Die Schalung wurde durch das Verbinden von Holzelementen hergestellt und eingeölt, damit sich der Beton später besser aus der Schalung löst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-5 - Schalung, Bewehrung fixiert

4.4.2 Betonherstellung

Hierzu wurde die vorhandene Betonrezeptur verwendet und errechnet, in welchem Verhältnis Wasser, Zement und Zuschlag zusammenzuführen sind [Kap.4.3].

4.5 Herstellung eines Mikrobetonmodells

Aus dieser Berechnung ergibt sich die Betonmenge, welche mit einem Rührwerk hergestellt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-6 – Betonerstellung, Rührwerk

Im Anschluss wird der Beton in die geölte Schalung gegossen, in welcher bereits die Bewehrung fixiert ist. Um den Beton zu verdichten, wurde der gesamte Schalungskasten auf einen Rüttler gestellt. Außerdem wurden Probekörper des Betons erstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-7 - Betonrüttler

Die Betonprobekörper werden hergestellt, um diese ins Labor einzusenden, damit die Beton Druck –und Zugfestigkeit ermittelt werden können. Diese Werte für die Auswertung des Modells verwenden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-8 - Betonprobekörper

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