Experimentelle und numerische Untersuchungen zu Zwangkräften aus Temperaturdifferenzen

Für eine sichere und wirtschaftliche Bemessung von zwangbeanspruchten Stahlbetonbauteilen ist eine realistische Abschätzung der Zwangkraft von großer Bedeutung. Frühere Arbeiten legen nahe, dass hierbei unterschieden werden sollte, ob Betonschwinden oder eine Temperaturdifferenz die Ursache der Zwangbeanspruchung darstellt. Im vorliegenden Beitrag werden Untersuchungen beschrieben, bei denen beidseitig gehaltene Stahlbetonstäbe unter gleichförmigen Temperaturdifferenzen von bis zu 70 K experimentell untersucht wurden. Die sich einstellende Rissbildung sowie dazu korrespondierende Kräfte werden herausgearbeitet, mit Ergebnissen aus numerischen Simulationsrechnungen verglichen und dabei erweitert um die Variation von Längsbewehrungsgrad, Betonzugfestigkeit und Behinderungsgrad. Die deutlichen Unterschiede des Tragverhaltens gegenüber Bauteilen, die Zwang infolge von Schwinden ausgesetzt sind, werden bestätigt. Zudem zeigt sich, dass das abgeschlossene Rissbild des jeweiligen Bauteils bereits bei deutlich geringeren Dehnungen als 0,8 ‰ erreicht werden kann. Das übliche Vorgehen bei einer kombinierten Beanspruchung aus Last und Zwang, bei dem die Bemessung für beide Beanspruchungsarten getrennt erfolgt und dann der größere der beiden ermittelten Bewehrungsquerschnitte vorgesehen wird, kann z. T. deutlich auf der unsicheren Seite liegen.

Experimental and numerical investigations of constraining forces due to temperature differences
A realistic estimation of the constraint force is of great importance for a safe and economical design of reinforced concrete members subjected to constraint. Previous work suggests that a distinction should be made as to whether concrete shrinkage or a temperature difference is the cause of the constraint forces. In the present paper, experiments are described in which reinforced concrete components held on both sides were experimentally examined under uniform temperature differences of up to 70 K. The resulting cracking and the corresponding forces are elaborated, compared with results from numerical simulations, and extended by the variation of the degree of longitudinal reinforcement, concrete tensile strength and degree of restraint. The significant differences in the load-bearing behavior compared to members subjected to constraint forces resulting from shrinkage are confirmed. In addition, it is shown that the final state of full cracking of the respective structural member can be achieved at strains much lower than 0.8 ‰. The usual procedure for a combined loading and restraint, in which the design for both types of loading is carried out separately and then the larger of the two determined reinforcement cross sections is provided, can in part be clearly on the unsafe side.