Tobias Auinger
Numerische Untersuchungen zum Querkraftverhalten textilbetonverstärkter Stahlbetonplattenbalken
2020
Der Großteil der Brückenbauten in Österreich wurde zwischen 1960 und 2000 errichtet und weist ein dementsprechend hohes Alter auf, weshalb die bestehenden Tragwerke aufgrund der ständig steigenden Verkehrsbelastung durch geeignete Verstärkungsmaßnahmen adaptiert werden müssen. Eine mögliche Verstärkungsmethode mittels Aufbringung einer textilbewehrten Aufbetonschicht zur Erhöhung des Querkraft- und Torsionswiderstandes bestehender Brückentragwerke wird derzeit im Rahmen des Forschungsprojektes „concreteX“ am Arbeitsbereich für Massiv- und Brückenbau an der Universität Innsbruck untersucht. Im Sommer 2019 wurden darin Drei-Punkt-Biegeversuche an unverstärkten sowie an textilbetonverstärkten Stahlbetonplattenbalken durchgeführt, die die experimentelle Grundlage für die vorliegende Arbeit bilden.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung eines nichtlinearen Finite-Elemente-Modells, das die Prognose des Strukturverhaltens von textilbetonverstärkten Stahlbetonplattenbalken ermöglicht. Zur wirklichkeitsnahen Beschreibung des Materialverhaltens des Betons in der strukturmechanischen Berechnung wird dieses mittels eines am Arbeitsbereich für Festigkeitslehre und Baustatik weiterentwickelten und verfügbaren Schädigungs-Plastizitätsmodells abgebildet. Zunächst wird ein nichtlineares Finite-Elemente-Modell zur Abbildung des Strukturverhaltens des unverstärkten Stahlbetonplattenbalkens in Drei-Punkt-Biegeversuchen entwickelt, welches anschließend um die textilbewehrte Aufbetonschicht erweitert wird. Anhand zahlreicher Parameterstudien wird das numerisch prognostizierte strukturmechanische Verhalten analysiert und mit den Ergebnissen aus den Laborversuchen verglichen.
Es wird gezeigt, dass mittels umfassend kalibrierter, materiell nichtlinearer Finite-Elemente-Modelle die realitätsnahe Abschätzung der in den Versuchen der unverstärkten und verstärkten Stahlbetonplattenbalken aufgezeichneten Traglast möglich ist. Die numerisch prognostizierten Verschiebungen im Vorbruchbereich werden im Vergleich zu den mittels Wegaufnehmern gemessenen Verschiebungen allerdings unterschätzt. Diese Abweichungen werden auf vereinfachende Modellannahmen, insbesondere für das Verbundverhaltens zwischen Beton und Stahlbewehrung bzw. Textilbewehrung, zurückgeführt. In den Simulationen der textilbetonverstärkten Stahlbetonplattenbalken wird gezeigt, dass die Textilbewehrung den maßgebenden Anteil zur Erhöhung der Traglast darstellt und dass der Aufbeton lediglich zur Sicherstellung des Verbundes und zur Kräfteübertragung zum Altbeton mitwirkt. Die in dieser Arbeit vorgestellten nichtlineare Finite-Elemente-Modelle ermöglichen weitere Parameterstudien, die insbesondere in der Prototypenentwicklungsphase hilfreich sein können und bilden die Basis für weiterführende numerische Untersuchungen im Bereich textilbetonverstärkter Bauteile.
In Austria the majority of bridges were built between 1960 and 2000 and are accordingly already very old. Thus, to sustain the continuously increasing traffic loads the existing bridge structures have to be strengthened. A novel strengthening method by applying a textile-reinforced concrete layer to increase the shear and torsional resistance of existing bridge structures is currently developed in the research project „concreteX” at the Unit of Concrete Structures and Bridge Design at the University
of Innsbruck. Therein, three-point bending tests of plain and textile-reinforced concrete T-beams were carried out in summer 2019, representing the experimental basis for the present thesis.
The aim of the present Master's thesis is to develop a nonlinear finite element model for enabling the prediction of the structural behavior of concrete T-beams strengthened by a textile reinforced concrete layer. For capturing the mechanical behavior of concrete in a realistic manner, a damage- plasticity model is employed, which is available and enhanced at the Unit of Strength of Materials and Structural Analysis at the University of Innsbruck. Initially, a nonlinear finite element model for
replicating the structural behavior of the concrete T-beams in the three-point bending tests is developed, which is subsequently enhanced by considering the textile-reinforced concrete layer. On the basis of parameter studies the numerically predicted mechanical behavior is analyzed and is evaluated by means of comparison with the results from the laboratory tests.
It will be demonstrated that by means of comprehensively calibrated nonlinear finite element models the ultimate loads recorded in the experiments of both, the plain and textile-reinforced concrete T-beams, can be predicted. However, the numerically predicted displacements in the pre-peak regime are underestimated compared to the experimental results, which is attributed to the simplifying model assumptions such as the assumed perfect bond behavior between concrete and
steel reinforcement or textile reinforcement. In the simulations of the textile-reinforced concrete T-beams it will be shown that the textile-reinforcement is the major load-bearing part and that the role of the surrounding concrete lies primarily in the force transmission to the existing concrete part. The presented nonlinear finite element models enable further parameter studies, being particularly important for the prototype development phase, and form a basis for further numerical studies of
textile-reinforced concrete.