Systematische Untersuchungen zum Querkrafttragverhalten

Das Querkrafttragverhalten von Stahlbeton ist eine komplexe Fragestellung. Das Querkraftversagen von schlanken Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung treten üblicherweise ohne Vorwarnung durch die Bildung eines kritischen Scherrisses auf. Mit ausreichend hohen Mengen an Querkraftbewehrung kann die kritische Schubrissbildung vermieden werden, die eine andere Art von Schubrissbildung ermöglicht und die Querkrafttragfähigkeit des Bauteils verbessert. Der Unterschied in der Schubrissbildung wurde als Grundlage für zwei völlig unterschiedliche Ansätze zur Modellierung der Querkrafttragfähigkeit von Bauteilen ohne und mit Querkraftbewehrung angesehen. Obwohl die meisten Stahlbetonbauteile nur relativ geringe Mengen an Querkraftbewehrung aufweisen, wurde ein möglicher Übergang des Tragverhaltens von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung zu Bauteilen mit geringem Querkraftbewehrungsgrad von der Forschungsgemeinschaft noch nicht untersucht. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Querkrafttragverhalten von Bauteilen ohne und mit geringer Querkraftbewehrung zu charakterisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Schubrissentwicklung und der Kraftfluss systematisch untersucht. Als Hypothese gehen wir davon aus, dass das Querkraftversagen eines Bauteils mit geringer Querkraftbewehrung immer noch durch die kritische Scherrissbildung gekennzeichnet ist, welche im Wesentlichen von der Auflagerung und Belastungsart sowie der Schlankheit des Bauteils abhängt. Das vorgeschlagene Versuchsprogramm wird siebzig Versuche an Balken mit unterschiedlichen statischen Systemen, Belastungsarten und systematisch variierten Querkraftbewehrungsgraden umfassen. Die Schubrissentwicklung und der Kraftfluss werden mit modernen Messtechniken analysiert. Unter Verwendung der beobachteten Schubrissgeometrie und -kinematik und geeigneter konstitutiver Beziehungen werden unterschiedliche Querkraftübertragungsmechanismen quantifiziert. Basierend auf den Analysen und Beobachtungen aus dem Versuchsprogramm werden physikalische Modelle zur Beschreibung des Scherverhaltens von Bauteilen ohne und mit geringer Schubbewehrung entwickelt. Die Querkraftmodelle sollten Hintergrund für Konstruktionskonzepte liefern, die physikalisch konsistent sind und daher allgemein für Bauteile mit unterschiedlichen Randbedingungen und Beträgen der Querkraftbewehrung gültig sind. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt wird dazu beitragen, einen tiefergehenden Erkenntnisgewinn bei dieser herausfordernden Thematik zu erhalten, die gleichermaßen von großer Bedeutung für die Grundlagenforschung und die praktische Anwendung ist. Das Projekt schließt eine Lücke im Grundlagenwissen über den Übergang von Bauteilen ohne zu Bauteilen mit ausreichender Querkraftbewehrung zur vollständigen Ausbildung einer Fachwerktragwirkung.

Das Querkrafttragverhalten ist ein komplexes und wichtiges Problem im Stahlbetonbau und seit mehr als 100 Jahren Gegenstand der Forschung. Trotz aufwändiger Untersuchungen bleiben einige wichtige Aspekte der Querkrafttragfähigkeit ungeklärt. Diese Situation ist insbesondere bei der Bewertung bestehender Bauwerke nicht zufriedenstellend. Beispielsweise weisen Brückenbauwerke aufgrund unzureichender Querkraftbewehrung häufig Defizite in der berechneten Querkrafttragfähigkeit auf, obwohl keinerlei Schäden erkennbar sind. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, den Einfluss der Rand- und Belastungsbedingungen auf das Querkrafttragverhalten von Stahlbetonkonstruktionen, ohne und mit geringen Mengen an Querkraftbewehrung zu quantifizieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm konzipiert, welches aus insgesamt 70 Querkraftversuchen mit unterschiedlichen Belastungs- und Randbedingungen bestand. 35 dieser Tests wurden an der TU-Graz durchgeführt (hauptsächlich einfach Einfeldträger unter Punktlasten und Kragarme unter Gleichstreckenlast) und 35 Tests wurden vom Projektpartner an der RWTH Aachen durchgeführt. Mit dieser Versuchsserie konnte eine bestehende Lücke in den vorhandenen Schubdatenbanken zwischen Stahlbetonbalken ohne und mit, für die Ausbildung eines vollständigen Fachwerks, ausreichender Querkraftbewehrung gefüllt werden. Die Querkraft im Schubfeld wird über eine komplexe Kombination verschiedener Mechanismen übertragen, z.B. direkte Druckstrebenwirkung, Beiträge der ungerissenen Druckzone, Rissuferverzahnung, Rissprozesszone, Dübelwirkung und Querkaftbewehrung. Um den Beitrag der einzelnen Mechanismen zu quantifizieren, wurden fortschrittliche photogrammetrische und verteilte faseroptische Messungen eingesetzt. Die experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass bei einer Querkraftbewehrung, die ungefähr dem Doppelten der erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung entspricht, das Rissbild im Steg dazu neigt, sich von einem einzelnen Schubriss zu einem homogenen Rissbild mit mehreren geneigten Schubrissen zu ändern. Die Versuche zeigten auch, dass eine Querkraftbewehrung unter der normativ erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung, keinen wesentlichen Einfluss auf die Querkrafttragfähigkeit von Einfeldträgern unter Einzellasten hat. Im Gegensatz dazu führte bereits eine sehr geringe Querkraftbewehrung zur Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit von Kragarmen unter Gleichstreckenlast. Wird die Querkraftbewehrung jedoch erhöht, werden die Unterschiede in der Querkrafttragfähigkeit zwischen den getesteten Systemen geringer. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein bestehender Modellansatz zur Vorhersage der Querkrafttragfähigkeit verfeinert, wodurch zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden konnten.