Rissbildung in fugenlosen Kaianlagen - ein Berechnungsmodell für massige Bauteile aus Stahlbeton
Creators: name: Wasner, Jens
Publisher: name: Shaker Verlag
Year: 2015
Subjects: subject: Zuggurtmodell, Tension Stiffening, Rissbreiten, Modellierung von Stahlbeton
classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften

description: Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Ermittlung der wirksamen Zwangbeanspruchung in langen fugenlosen Kaianlagen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der besonderen Rissbildung in den massigen Stahlbetonüberbauten. Hierfür werden spezielle Rechenmodelle entwickelt, mit denen das nichtlineare Baustoff- und Verbundverhalten wirklichkeitsnah abgebildet wird. Nach einer Einführung in die Entwicklung der Containerschifffahrt werden unterschiedliche Konstruktionsweisen für Kaianlagen mit fugenlosen Überbauten vorgestellt. Als Grundlage für die Entwicklung mechanischer Berechnungsmodelle werden anschließend die baustofflichen Eigenschaften von Beton und Stahl beschrieben sowie deren Zusammenwirken im Verbundbaustoff Stahlbeton erläutert. Es wird weiter auf die maßgebenden Einwirkungen eingegangen, die während der Herstellung und der Nutzung einer fugenlosen Kaianlage aus Stahlbeton zu berücksichtigen sind. Aus dem Zuggurtmodell von Marti et al. (1999), einem anerkannten Modell zur Beschreibung des Trag- und Verformungsverhaltens von schlanken Stahlbetontragwerken, wird eine analytische Tension-Stiffening-Formulierung abgeleitet. Diese kann als Baustoffbeziehung in Finite-Elemente-Modelle mit verschmiertem Rissansatz implementiert werden. Da bei Kaianlagen die Bauteilabmessungen wesentlich größer sind als im üblichen Hochbau, stellt sich hier ein abweichendes Rissverhalten ein. Bei solchen als „massig“ bezeichneten Bauteilen treten neben den Trennrissen auch so genannte Einrisse auf (Sekundärrissbildung), deren Ausbreitung sich auf die bewehrten Randbereiche (wirksame Zugzone) beschränkt, so dass sie den Gesamtquerschnitt nicht durchtrennen. Hierfür wird in dieser Arbeit das auf physikalischen Zusammenhängen basierende Zuggurtmodell für massige Bauteile (ZGMmB) entwickelt, das diese Besonderheiten im Rissverhalten abbilden kann. Aufbauend auf den Erkenntnissen für schlanke Stahlbetonbauteile, wird aus dem ZGMmB eine Tension-Stiffening-Formulierung für massige Bauteile abgeleitet. Diese ermöglicht Finite-Elemente-Berechnungen langer fugenloser Kaianlagen im Gesamtmodell, ohne dabei den Verbund zwischen der Bewehrung und dem Beton explizit erfassen zu müssen. In einer umfangreichen Beispielrechnung werden schließlich die zuvor entwickelten Modelle exemplarisch angewendet und die Zwangbeanspruchung im fugenlosen Kaimauerüberbau unter Berücksichtigung der Interaktion mit der Gründung eingehend untersucht.
description: The thesis contributes to the determination of the effective restraint action in large jointless quays. The focus is on the particular cracking behaviour of the voluminous reinforced concrete superstructures. For this purpose special mechanical models are developed. With those the non-linear material behaviour and bond relation are mapped to reality. After an introduction about the development of container shipping different types of quays with jointless superstructure are presented. Then the material properties of concrete and steel are described, and their interaction in composite building material is explained in detail. Further, the relevant impacts during casting and use of jointless quays made of reinforced concrete are discussed. From the Tension Chord Model of Marti (1999), a recognized model for the description of the load-bearing and deformation behaviour of slender reinforced concrete structures, an analytical Tension Stiffening Formulation is derived. This can be implemented as a material relationship in finite element models with smeared crack approach. Since the component dimensions in quays are much larger than in normal building construction, here a different cracking behavior is observable. While the crack pattern of slender concrete members subjected to tension comprises several through-cracks with moderate crack spacing and widths, the cracking behaviour of massive concrete members is characterized by the development of only few through-cracks accompanied by an assembly of shallow cracks. The propagation of these secondary cracks is limited to the reinforced edge areas (effective tensile zone), so they do not disrupt the total cross section. To account for this special cracking behaviour the Tension Chord Model for Massive Concrete Members (ZGMmB) is developed which explains the origin of primary and secondary cracks using mechanical relations. Based on the findings of slender reinforced concrete members a tension stiffening formulation for massive components is derived from the ZGMmB. This allows for finite element calculations of long jointless quays without modelling the bond between concrete and reinforcement explicitly. Finally, the previously developed models are applied in a comprehensive sample calculation to examine the restraint action in the jointless concrete superstructure of a piled quay taking into account the interaction with the foundation.