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Stahlbeton-Druckglieder - Einführung zum Tragverhalten - 2. Runde Stützen mit geringer Schlankheit

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Im Stahlbetonbau werden Stützen mit rundem Querschnitt vielfältig angewendet und zwar nicht nur aus ästhetischen, sondern auch aus baustatischen Gründen.
Im unteren Stockwerk eines hohen Gebäudes zum Beispiel können gedrungene, umschnürte Stützen sehr hohe Lasten aufnehmen, vorausgesetzt, sie sind zentrisch belastet. Das prinzipielle Tragverhalten von gedrungenen Stahlbetonstützen läßt sich mit geringem Aufwand an Betonmodellen im Laborversuch studieren. Folgende Versionen sollen untersucht werden:
In dieses Betonmodell ist ein Bewehrungskorb, wie der danebengehende, eingebaut. Die Bewehrung besteht aus sechs profilierten Stahlstäben und einer darumgewickelten Bügelwendel aus glattem Schweißdraht. Beim nächsten Modell besteht die Bewehrung aus einer eng gewickelten Umschnürungswendel ohne Längsstäbe. Ein weiteres Modell hat die gleiche Wendel aber zusätzlich noch sechs Längsstäbe. Und dieses Modell ohne Bewehrungskorb dient bei den nun folgenden Belastungsversuchen zum Vergleich. Es wird zuerst untersucht.
Hierzu ist diese Probe zwischen die Backen einer hydraulischen Presse gesetzt. Die Druckkraft der Presse - sie wirkt hier zentrisch auf die Stütze - und der Pressenhub werden mit elektrischen Meßwertaufnehmern registriert.
Die Meßuhr zeigt die Hubbewegung der Presse an. Die Stütze wird nun belastet. Die Druckkraft in Abhängigkeit vom
Pressenhub wird durch diese Kurve verdeutlicht. Kurz vor dem Bruch bilden sich feine Risse. Der Bruch verläuft schräg unter etwa 45 Grad zur Druckrichtung. Gleichzeitig mit dem Versagen der Probe bricht auch die Kurve im Lastmaximum ab. Der nächste zentrische Druckversuch erfolgt mit einem Betonzylinder, in den diese Bewehrung eingebaut ist. Es sind sechs Längsstäbe, die durch eine Bügelwendel gegen Ausknicken gesichert werden. Am Anfang des Druckversuchs in der hydraulischen Presse wird die Lage der Bewehrungswendel im Beton durch Einblenden sichtbar gemacht. Diese Wendel mit großer Ganghöhe hat die gleiche Funktion wie die Einzelbügel bei viereckigen Druckgliedern. Der Bruch erfolgt nun nach Überschreiten der Betonfestigkeit. Gleichzeitig knicken die Längsstäbe zwischen den Stützpunkten der Bügelwendel aus.
Das zugehörige Kraft-Verformungs-Diagramm zeigt im Vergleich zu dem von Probe 0, der unbewehrten Stütze, daß die bewehrte Stütze erst bei einer höheren Belastung bricht und dabei stärker verformt wird. Dieses Tragverhalten findet man übrigens auch bei viereckigen Stützen mit Längsstäben und normalen Einzelbügeln. Mit dem folgenden zentrischen Druckversuch soll gezeigt werden, in welchem Maße eine Umschnürungswendel mit geringer Ganghöhe die Belastbarkeit der Stütze erhöht. Die drei dünnen Längsstäbe dienen nur der Montage und sind statisch unbedeutend. Die Wirkung dieser Wendel beruht darauf, daß sie die Ausdehnung der Stütze quer zur Druckrichtung der Presse behindert. Es entsteht dadurch im Beton ein dreiachsiger Druckspannungszustand, der zur höheren Betondruckfestigkeit führt. Doch zuvor soll das Prinzip des Phänomens durch zwei einfache Versuche erläutert werden. Zunächst stellen wir einen Zylinder aus feuchtem Sand her. Dieser Zylinder wird zwischen die Backen einer kleinen Spindelpresse gesetzt.
Durch Drehen der Spindel wird er belastet. Die Druckfestigkeit des Zylinders in Pressendruckrichtung ist gering, weil
der Sand in Querrichtung ausweichen kann. Die Querdehnung des Sandzylinders soll im nächsten Versuch durch
eine dünnwandige Papierumwicklung behindert werden. Der Druck auf den Zylinder bewirkt nun infolge der Querdehnung des Sandes eine Druckspannung auf die Papierwandung und eine Ringzugkraft
in der Papierhülle. Die Probe bricht unabhängig von der Festigkeit des Sandzylinders erst, wenn die Zugfestigkeit des Papiers überschritten ist. Nach dem gleichen Prinzip wird nun die Querdehnung des Betons durch diese eng gewickelte Umschnürungswendel behindert. Die Probe versagt erst, wenn die Wendel durchreißt. Die Betonschale um die Wendel platzt schon vorher ab, sie hat keine lasttragende Funktion. Die Last wird ausschließlich durch die Querschnittsfläche innerhalb der Wendel übertragen. Dabei
ist die Betonfestigkeit des Kernquerschnitts durch Querdehnungsbehinderung erheblich gesteigert worden. Auf dieser Seite ist die Wendel infolge der Ringzugkraft mehrmals gerissen. Das zugehörige Kraft-Verformungs-Diagramm zeigt, daß die letzte Probe Nr. zwei bedeutend mehr Last aufnehmen kann als die unbewehrte Probe null. Die Probe zwei unterscheidet sich von der Probe null dadurch, daß sie eine Wendel hat. Die Wendel erhöht also die Belastungsfähigkeit der Probe beträchtlich, wobei allerdings eine stärkere Stauchung in Kauf genommen werden muß. Für den nächsten zentrischen Druckversuch ist die Bewehrung nun durch sechs Längsstäbe vervollständigt. Diese Probe versagt ebenfalls erst durch das Reißen der Wendel. Die Betonschale platzte auch hier schon lange vorher ab.
Hier ist die durchgerissene Wendel zu sehen. Das Kraft-Verformungs-Diagramm der Probe drei zeigt, daß durch den Einbau der sechs Längsstäbe die Probe stärker belastet werden kann als die Probe zwei ohne Längsstäbe. Dagegen wird im Vergleich mit Probe eins deutlich, daß die höhere Belastbarkeit dank der Umschnürungswendel anstelle der Bügelwendel mit einer stärkeren Stauchung erkauft wird. Bei allen bisher untersuchten Proben erfolgte die
Belastung zentrisch. Dabei entsteht innerhalb des umschnürten Betonquerschnitts, im sogenannten Kern mit dem Durchmesser d k, eine gleichmäßig verteilte Betondruckspannung,
und gleichzeitig drückt der Kern infolge der Querdehnung horizontal gegen die Wendel, wodurch in der Wendel eine Ringzugkraft entsteht.
Eine nichtzentrische Last, nur geringfügig außermittig, führt dagegen zu ungleichmäßig verteilten Betondruckspannungen
und Querdehnungen. Außerdem verursacht diese geringe Außermittigkeit der Last, daß die horizontal vom Kern auf die Wendel wirkenden Kräfte abnehmen, weil sie gemäß dem Kräftegleichgewicht in horizontaler Richtung von der niedrigsten Querdehnung bestimmt werden. Erhöht man die Ausmitte der Last auf 1/8 des Kerndurchmessers, dann sinkt die Betondruckspannung auf einer Seite der Stütze auf null.
Gemäß dem Kräftegleichgewicht in der Wendel kann dann keine Ringzugkraft mehr entstehen. Die Umschnürung erhöht also nicht mehr die Belastungsfähigkeit der Stütze, sondern sie dient dann nur noch als Knicksicherung für die Längsstäbe. Dieser Effekt wird nun an einem umschnürten
und mit Längsstäben bewehrten Modell demonstriert. Die resultierende Druckkraft wirkt hier nicht mehr in der Mitte auf den Zylinder, sondern im Abstand eines Achtel Kerndurchmessers. Auf der stärker gedrückten Zylinderseite wird nun die Betonfestigkeit erreicht. Gleichzeitig platzt die äußere Schale ab. Achskrümmung und Querschnittsänderung bewirken dabei eine stetige Zunahme der Lastausmitte, so daß auf der linken Seite sogar Biegezugspannungen und dadurch verursachte Risse entstehen. Unter diesen Belastungsbedingungen kann die Umschnürungswendel natürlich die Belastungsfähigkeit des Zylinders nicht steigern. Das Kraft-Verformungs-Diagramm bestätigt dies. Umschnürte Stützen sind also für die Aufnahme hoher Lasten nur zweckmäßig, wenn sie nahezu zentrisch belastet sind. Alle experimentell ermittelten Werte, wie diese Diagramme, können wegen der starken Streuungen der Ergebnisse nur dem prinzipiellen Vergleich dienen. Aus Sicherheitsgründen werden in der Baupraxis Bruchlasten und zulässige Belastungen nur rechnerisch ermittelt, wobei die zulässige Belastung mit entsprechendem Sicherheitsabstand so niedrig gehalten wird, daß die Betonschale unter Gebrauchslast nicht abplatzen kann. Die fünf untersuchten Stützentypen können hinsichtlich ihrer Verwendung in der Baupraxis folgendermaßen bewertet werden: Druckglieder ohne Bewehrung, wie Probe null, werden selten angewendet. Runde Stützen mit Bügelwendel, wie Probe eins, kommen im Bauwesen häufig vor. Sie werden wie normal verbügelte viereckige Stützen verwendet und auch analog berechnet. Umschnürte Stützen ohne Längsstäbe, wie Probe zwei, sind in der Baupraxis nicht erlaubt, sie halten zwar einer exakt zentrischen Drucklast stand, jedoch unplanmäßig auftretende Biegemomente können die Stütze leicht zerstören. Umschnürte Stützen mit Längsstäben, wie Probe drei und vier, werden angewendet, wenn bei gegebener nahezu zentrischer Belastung die erforderliche Stützendicke kleingehalten werden soll. Schon eine geringfügige Ausmitte der Last führt zu einer bedeutenden Verringerung der Belastbarkeit dieses Stützentyps. Je nach Größe der Lastausmitte liegt die Belastbarkeit dann zwischen dem ideal zentrischen Lastfall und dem exzentrischen Lastfall, bei dem die Umschnürungswendel wirkungslos ist. Alle hier behandelten Belastungsfälle beziehen sich auf gedrungene Stützen. Bei schlanken Stützen
treten noch zusätzliche Probleme auf, die in einem weiteren Videofilm dargestellt werden.
Stütze
Stahlbeton
Stahlbetonbau
Computeranimation
Schweißdraht
Stütze
Gebäude
Last
Tragverhalten
Bewehrung
Geschoss <Bauwesen>
Stütze
Backen
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Messuhr
Montage
Stütze
Riss
Hydraulische Presse
Beton
Elektromagnetische Masse
Druckglied
Tragverhalten
Bruch
Proof <Graphische Technik>
Druckversuch
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Bewehrung
Computeranimation
Betonfestigkeit
Backen
Drehen
Druckfestigkeit
Spinnwirtel
Besprechung/Interview
Hohlzylinder
Sander <Familie, Mülheim, Ruhr>
Festigkeit
Beton
Last
Druckspannung
Zugfestigkeit
Papier
Betonfestigkeit
Stauchung
Last
Reißen
Druckversuch
Bewehrung
Computeranimation
Kern <Gießerei>
Computeranimation
Stütze
Kraftpapier
Last
Kern <Gießerei>
Computeranimation
Richtung
Biegemoment
Betonfestigkeit
Stütze
Riss
Gebrauchslast
Last
Druckglied
Bruchlast
Hohlzylinder
Umschnürung <Bewehrung>
Computeranimation
Bauwesen
Mahlgut
Video
Vorlesung/Konferenz
Computeranimation

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Stahlbeton-Druckglieder - Einführung zum Tragverhalten - 2. Runde Stützen mit geringer Schlankheit
Alternativer Titel Reinforced Concrete Supports - Introduction to Carrying Characteristics - 2. Cylindrical Columns of Slight Slenderness
Autor Malgut, Werner
Wolters, Peter
Steffens, Klaus
Lizenz Keine Open-Access-Lizenz:
Es gilt deutsches Urheberrecht. Der Film darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt, aber nicht im Internet bereitgestellt oder an Außenstehende weitergegeben werden.
DOI 10.3203/IWF/C-1667
IWF-Signatur C 1667
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1988
Sprache Deutsch
Produzent Institut für den Wissenschaftlichen Film (IWF)
Produktionsjahr 1987

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Technik
Abstract Anwendungsbeispiele. Druckversuche im Labor mit zentrisch belasteten Betonmodellstützen ohne und mit Bewehrung: mit Bügelwendel und zusätzlichen 6 Längsstäben, mit Umschnürungswendel ohne oder mit zusätzlichen 6 Längsstäben. Kraftverformungsdiagramme. Modellversuch zur Steigerung der Druckfestigkeit durch Behinderung der Querdehnung. Spannungsverteilung in der Stütze bei zentrischer, schwach exzentrischer und stark exzentrischer Druckbelastung. Druckversuch mit stark exzentrischer Belastung.
Fundamental physical phenomena of the carrying and breaking characteristics of reinforced concrete supports can only be studied under real conditions at enormous expense. The Laboratory for Experimental Statics at the University of Bremen has therefore recorded breaking tests done on models of concrete supports made of micro-concrete. The cause and effect of the load carrying influence of spiral reinforcements are shown in a test series, giving a "pre-mathematical" insight into the complex carrying characteristics of such structures.
Schlagwörter Druckversuche / Stützen
Bautechnik / runde Stützen
Stützen, runde
supports, round
building techniques
pressure / supports

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