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M.Sc.
Jan Ungermann
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Veranlassung und Zielsetzung

Das Durchstanztragverhalten zentrisch belasteter Einzelfundamente wurde in der Vergangenheit bereits von verschiedenen Forschern experimentell untersucht (z.B. [1,2]. Die Ergebnisse dieser Versuche dienten als Grundlage zur Herleitung der aktuellen Ansätze zum Durchstanzen bei Fundamenten. Bei der Herleitung der verschiedenen Bemessungsansätze (z.B. [3]) wurde eine gleichmäßige Verteilung der Schubspannungen entlang des kritischen Rundschnitts unterstellt. In der Praxis bilden zentrisch belastete Einzelfundamente jedoch einen Sonderfall, da ungewollte Ausmitten aus Imperfektionen und planmäßige Lastexzentrizitäten aus äußeren Lasten auftreten. Hierfür sind in den verschiedenen Ansätzen zum Durchstanzen Lasterhöhungsbeiwerte definiert, die den Einfluss der Lastexzentrizität auf den Durchstanzwiderstand auf der Einwirkungsseite erfassen sollen (z.B. [3]). Eine Aussage über das Sicherheitsniveau der verschiedenen Ansätze ist auf Grundlage der geringen Versuchsbasis bislang nicht möglich.
Durch die Überlagerung von Biege- und Querkraftbeanspruchung entsteht bei punktförmig gestützten Bauteilen ein mehraxialer Spannungszustand entlang des Stützenanschnitts. Bei zentrisch belasteten Einzelfundamenten bildet sich ein Druckring entlang des Stützenanschnitts aus, der die Querkrafttragfähigkeit im Vergleich zu einer liniengelagerten Platte deutlich vergrößert. Mit zunehmender Lastexzentrizität ist die Ausbildung dieses rotationssymmetrischen, mehraxialen Spannungszustands auf der lastabgewandten Seite nicht vollständig möglich, sodass eine reduzierte Tragfähigkeit zu erwarten ist [4-6].

Bild 1:Qualitative Entwicklung der Sohlspannungsverteilung und des mehraxialen Spannungszustandes entlang des Stützenanschnitts mit zunehmender Lastexzentrizität

Ziel des Forschungsvorhabens ist die grundlegende Untersuchung des Durchstanztragverhaltens exzentrisch belasteter Einzelfundamente. Neben der Planung und Durchführung von experimentellen Untersuchungen an exzentrisch belasteten Einzelfundamenten mit einachsigen und zweiachsigen Lastausmitten werden numerische Untersuchungen durchgeführt. Im Mittelpunkt steht hierbei die systematische Untersuchung des mehraxialen Spannungszustandes entlang des Stützenanschnitts (Druckringlänge) und der Schubrissbildung in Abhängigkeit der Laststellung und der Fundamentgeometrie. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen zur Herleitung eines konsistenten Modells verwendet werden, das eine grundlegende Beschreibung der Druckringlänge und der Schubrissbildung von exzentrisch belasteten Einzelfundamenten für beliebige Laststellungen und Fundamentgeometrien ermöglicht. Die Kenntnis der grundlegenden Zusammenhänge zwischen Druckringlänge bzw. Schubrissbildung und Lastexzentrizität wird im Folgenden dafür verwendet, bestehende Modelle zum Durchstanzen von zentrisch belasteten Einzelfundamenten für exzentrische Laststellungen zu erweitern (bspw. [7,8]).

Bild 2: Untersuchungsmethodik und Arbeitspakete

Experimentelle Untersuchungen

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird das Durchstanztragverhalten von exzentrisch belasteten Einzelfundamenten mit einachsigen und zweiachsigen Lastausmitten bis zum Übergang zur klaffenden Fuge (ey/ly + ez/lz ≤ 1/6) experimentell untersucht.
Das geplante Versuchsprogramm umfasst insgesamt 18 Durchstanzversuche an exzentrisch belasteten Einzelfundamenten in vier Versuchsserien, die sich hinsichtlich der Schubschlankheit, der Stützengeometrie und des Stützenumfangs unterscheiden. In den Versuchen werden kontinuierlich die Pressenkraft, die Stahldehnungen in der Biegezugbewehrung, die Dickenänderung der Platte sowie die Verformung der Versuchskörper an ausgewählten Stellen gemessen, um das lastabhängige Trag- und Verformungsverhalten zu analysieren. Darüber hinaus werden die Betonstauchungen in der Druckzone entlang des Stützenumfangs zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Durchstanztragfähigkeit und der Druckringlänge mit steigender Lastausmitte gemessen.

Bild 3:Versuchsstand für exzentrisch belastete Einzelfundamente

Numerische Untersuchungen


Parallel zu den experimentellen Untersuchungen werden nichtlineare numerische Simulationen mit dem FE-Programm ABAQUS durchgeführt, das bereits in früheren Projekten (z.B. [6]) bei der Nachrechnung von Durchstanzversuchen und in Parameterstudien wesentliche Erkenntnisse lieferte.

Bild 4:Diskretisierung der Versuchskörper für einachsige (links) und zweiachsige Lastausmitten

Dank

Die vorgestellten Untersuchungen werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG (DFG, HE 2637/31-1) gefördert, der an dieser Stelle herzlich gedankt sei.

Bearbeiter

Jan Ungermann

Literatur

[1] Hallgren, M.; Kinnunnen, S.; Nylander, B.: Punching Shear Tests on Column Footings. In: Nordic Concrete Research 21 (1998), No. 3, S. 1-22.
[2] Hegger, J.; Ziegler, M.; Ricker, M.; Kurten, S.: Experimentelle Untersuchungen zum Durchstanzen von gedrungenen Fundamenten unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Interaktion. In: Bauingenieur 85 (2010), Februar, S. 87-96.
[3] DIN EN 1992-1-1:2011-01: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. Deutsche Fassung EN 1992-1-1:2004 + AC:2010. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2011.
[4] Kueres, D.; Siburg, C.; Wieneke, K.; Hegger, J.: Bemessungsdiagramme zur Ermittlung der Durchstanztragfähigkeit von Einzelfundamenten. In: Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Heft 5, S. 322-333.
[5] Kordina, K.; Nölting, D.: Tragverhalten von ausmittig beanspruchten Einzelfundamenten aus Stahlbeton. Forschungsbericht, Institut für Baustoffe Massivbau und Brandschutz, Technische Hochschule Braunschweig, 1981.
[6] Kueres, D.; Wieneke, K.; Siburg, C.: Untersuchungen zum Durchstanztragverhalten exzentrisch belasteter Einzelfundamente. In: Beton- und Stahlbetonbau 110 (2015), Heft 9, S. 609-619.
[7] Fédération internationale du béton: fib Model Code for Concrete Structures 2010, Lausanne 2013.
[8] Kueres, D.; Siburg, C.; Herbrand, M.; Classen, M.; Hegger, J.: Uniform Design Method for punching shear in flat slabs and column bases. In: Engineering Structures 136 (2017), April, S. 149-164.