Digitale Planung und geometrische Präzisionsfertigung für Durchstanzversuche

Durchstanzversuche an Stahlbetonplatten sind bislang auf geringe Dicken begrenzt. Infolge hoher Prüflasten und großer Versuchskörperabmessungen stoßen Versuchslabore weltweit an ihre Grenzen. Um erstmals Plattendicken bis 70 cm im Experiment zu testen, nutzt ein neu entwickeltes Versuchskonzept den Symmetrieeffekt. Durch Viertelung der Versuchskörper an zwei Symmetrieebenen lassen sich sowohl Prüflasten als auch Versuchskörperabmessungen um den Faktor 4 reduzieren. Bei der Umsetzung des Konzepts stellt der Übergang zwischen Versuchskörper und Versuchsstand an den Symmetrieebenen die zentrale Herausforderung dar. Durch die statisch unbestimmte Lagerung und Vorspannkräfte von bis zu 5 MN/m führen bereits geringe geometrische Unschärfen zu Zwangsbeanspruchungen, die ungewünscht verfälschte Ergebnisse und Initialrisse erzeugen. Dabei geht es um lokale Welligkeit, ungewollte Schiefstellungen, Versätze oder Winkeligkeit. Der Beitrag zeigt, wie mit digitaler Planung und Fertigung hochpräzise Versuchskörper und ebensolche Gegenstücke an den Widerlagern entstehen. Messungen und Nachrechnungen belegen, dass die erzielten Genauigkeiten im Submillimeterbereich genügen, um die resultierenden Zwangsbeanspruchungen für Plattendicken bis ca. 30 cm vernachlässigbar zu halten. Für Großversuche an bis zu 70 cm starken Platten sind zusätzliche Eigenspannungen aus Widerlagerrotationen zu erwarten, sodass vorgeschlagen wird, die Probekörper direkt im Versuchsstand zu betonieren (match casting), um Zwangsspannungen aus Geometrieunschärfen nahezu auszuschließen.

Digital planning and geometric precision manufacturing for punching tests
Punching tests on reinforced concrete slabs are still limited to rather small thicknesses. Large members cause - mainly due to high test loads and their large physical dimensions - experimental challenges that existing laboratories did not yet overcome. To close this size gap and to enable punching tests of slabs up to 70 cm thickness, a newly developed test set-up employs symmetry conditions. By quartering the test members at two symmetry planes, test loads and physical dimensions are reduced by a factor of 4. In the development, the link between the test member and the test set-up at the symmetry planes poses the central challenge. As a result of the statically indeterminate support and pre-stressing forces up to 5 MN/m, even low geometric uncertainties induce constraints that affect the test results and provoke initial cracking. It is about local ripples, unwanted misalignments, offsets and angularities. This contribution presents the approach to create highly-precise test members and similar counterparts at the supports by using digital planning and production. Measurements and recalculations give evidence that the achieved accuracies in submillimeter ranges are sufficient to keep resulting eigenstresses negligible for slab thicknesses up to 30 cm. With regards to large-scale tests up to 70 cm thickness, additional residual stresses from bearing rotations are expected. To exclude constraints from geometric uncertainties it is intended to cast the test members directly within the test set-up (match casting).