Zur Zuverlässigkeit der Bemessung gegen Durchstanzen bei Einzelfundamenten

Ricker, Marcus; Hegger, Josef

doi:910014313

Zur Zuverlässigkeit der Bemessung gegen Durchstanzen bei Einzelfundamenten = Reliability of the punching shear design of footings

Ricker, Marcus

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marcus Ricker

ImpressumAachen : Lehrstuhl und Inst. für Massivbau [u.a.] 2009

UmfangXVII, 304 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN3-939051-07-1

Reihe[IMB ; 28]

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hegger, Josef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30383
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51424/files/Ricker_Marcus.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Durchstanzen (Genormte SW) ; Stahlbeton (Genormte SW) ; Fundament (Genormte SW) ; Einzelfundament (Genormte SW) ; Boden-Bauwerk-Wechselwirkung (Genormte SW) ; Reliabilität (Genormte SW) ; Eurocode 2 (Genormte SW) ; Tragverhalten (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Beton (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Schubschlankheit (frei) ; Durchstanzbewehrung (frei) ; Fundamente (frei) ; Zuverlässigkeitstheorie (frei) ; footings (frei) ; punching shear (frei) ; reinforced concrete (frei) ; shear span to depth ratio (frei) ; soil-structure interaction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Sicherheit und Zuverlässigkeit eines Bauwerks werden durch die Streuung der Einwirkungen und der Widerstände beeinflusst. Dieser stochastische Charakter kann durch probabilistische Verfahren erfasst werden und eine Versagenswahrscheinlichkeit als Maß für die Sicherheit berechnet werden. Mit der Einführung der Methode der Grenzzustände in der Normung kann die Wahl der Sicherheitselemente für einen Zielwert der Versagenswahrscheinlichkeit erfolgen. Die wesentlichen Verfahren zur Ermittlung der Versagenswahrscheinlichkeit werden beschrieben und für eine Überprüfung des Durchstanznachweises bei Fundamenten verwendet. Infolge der konzentrierten Lasteinleitung kann im Bereich des Anschlusses zwischen Fundament und Stütze ein lokales Querkraftversagen auftreten, das als Durchstanzen bezeichnet wird. Versuchsauswertungen belegen, dass die Schubschlankheit einen großen Einfluss auf die Durchstanztragfähigkeit von Fundamenten hat. Das Durchstanzen bei Fundamenten wird trotz einer kleineren Schubschlankheit in den meisten Normen wie bei punktgestützten Platten behandelt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Versuchsdatenbank erstellt, um ausgewählte normative Regelungen und mechanische Modelle zu analysieren und mit probabilistischen Methoden zu bewerten. Zur Untersuchung des Tragverhaltens wurden 22 Durchstanzversuche an Fundamenten durchgeführt. Zehn Fundamente wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Geotechnik der RWTH Aachen unter wirklichkeitsnahen Randbedingungen auf Sand gebettet. Bei zwölf Versuchskörpern wurde eine gleichmäßige Bodenpressung durch hydraulische Pressen simuliert. Die Ergebnisse waren eindeutig durch die Schubschlankheit beeinflusst: Der Versagensriss verlief bei gedrungenen Fundamenten deutlich steiler als bei schlanken Fundamenten und die aufnehmbare Querkraft nahm mit zunehmender Schubschlankheit ab. Die Wirksamkeit einer Durchstanzbewehrung war bei gedrungenen Fundamenten zudem deutlich geringer als bei schlanken. In nichtlinearen numerischen Simulationen wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf den Durchstanzwiderstand systematisch untersucht. Dabei konnten zwei Tragmechanismen bei Fundamenten ohne Durchstanzbewehrung beobachtet werden. Bei gedrungenen Fundamenten kann das Tragverhalten durch eine Schar von Druckkegelschalen beschrieben werden. Der Durchstanzkegel im Versagenszustand entsteht dann durch ein Spalten der Druckkegelschalen. Schlankere Fundamente versagen dagegen, wenn die Druckzone am Stützenanschnitt ihre Tragfähigkeit infolge der Beanspruchung durch den tangentialen Biegedruck und die vertikale Querkraft erreicht. Basierend auf den experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden bestehende Modelle für Fundamente mit und ohne Durchstanzbewehrung erweitert. Für den Nationalen Anhang Deutschland wurden an Eurocode 2 angepasste Bemessungsregeln zum Durchstanzen von Fundamenten hergeleitet und semiprobabilistisch bewertet. Bei exzentrisch belasteten Fundamenten mit und ohne Durchstanzbewehrung können die Bemessungsansätze mit einem Sektormodell kombiniert werden.

The safety and reliability of structures is influenced by the uncertainties of actions and resistances. The random character of the structural variables can be considered via probabilistic approaches and the failure probability can be calculated as a measure for safety. The concept of limit states allows the deduction of the partial safety factors considering the random character of actions and resistances. The main methods of structural reliability analyses are presented and applied to determine the safety of punching design equations for footings. Around the columns large moments and vertical shear forces arise in the footings. These forces can cause a local shear failure, which is called punching shear failure. In general, design codes do not distinguish between the punching shear strength of flat slabs and footings. Although experimental investigations clearly indicate that the shear span-depth ratio significantly affects the punching shear behaviour of footings, this effect is not considered in most design codes. A test data bank was established and different design provisions were critically reviewed. In addition, probabilistic methods were used to thoroughly investigate the existing safety level. A total of 22 reinforced concrete footings were tested to investigate the punching shear behaviour of footings. Ten specimens were realistically supported on sand in cooperation with the Institute of Geotechnical Engineering. Whereas the remaining footings were supported on the column stub and a uniform surface load was applied. The present tests indicated that the shear span-depth ratio significantly affects the punching shear behaviour. The angle of the failure shear crack is steeper in punching tests on compact footings than observed in tests on more slender footings. The shear strength decreases with increasing shear span-depth ratio. Shear reinforcement can substantially increase the punching capacity of footings. However, it is less effective with decreasing shear span-depth ratio. Nonlinear numerical analyses were conducted to study the main parameters affecting the punching shear strength of footings systematically. In the simulations, different failure modes were observed. The load-bearing behaviour of the compact footings can be described by a strut and tie model. The compression struts are inclined and expand like a conical shell from the edges of the column towards the bottom of the footing. Hence, the punching cone primarily develops due to splitting failure of the inclined compression struts. In more slender footings the ultimate load is achieved when the highly stressed compression zone at the column faces crushes. Based on the experimental and numerical investigations, the model according to AN-DRÄ was adapted to footings without shear reinforcement. For footings without shear reinforcement, the empirical design rule of Eurocode 2 was modified with a factor taking into account the shear slenderness. The reliability of the final equation was verified via semi-probabilistic calculations. In addition, a design proposal for footings with shear reinforcement was derived. For eccentrically loaded footings with and without shear reinforcement, the proposed design equations can be combined with a sector model.

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