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Tunnelbau: Schnittgrößenermittlung im Zustand II für bewehrte und unbewehrte Betonbauteile

(28.12.2011) Trag- und Verformungsverhalten von Tunnelbauwerken sind geprägt von der Interaktion mit dem umgebenden Baugrund. Wirtschaftliche Lösungen zum Entwurf und zur Bemessung haben zum Ziel, das umgebende Gebirge am Lastabtrag maßgeblich zu beteiligen und so die Einwirkungen auf die Stützkonstruktion zu reduzieren. Voraussetzung für die Umsetzung dieses Ansatzes ist ein Berechnungsmodell, das die Boden-Bauwerks-Interaktion realitätsnah erfasst - unter Berücksichtigung der plastischen Verformbarkeit und begrenzten Scherfestigkeit des Baugrunds. Üblicherweise wird im Rahmen dieses Modellansatzes für die Strukturbauteile ein linear elastisches Materialverhalten zur Schnittgrößenermittlung angenommen; potenzielle Umlagerungseffekte bleiben daher auf den Baugrund beschränkt.


Nichtlineare Biegespannungsverteilung für den eingebetteten Stabzug unter Berücksichtigung der Verbundwirkung von Stahl und Beton (Bild vergrößern)

Die Euronorm EN 1992-1-1 erlaubt im Abschnitt 5.7 "Nichtlineare Verfahren" explizit den Ansatz inelastischen Formänderungsverhaltens von Beton- und Stahlbetonbauteilen bereits für die Schnittgrößenermittlung. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, im Hinblick auf eine wirtschaftliche Ausführung weiteres Potenzial zur Lastumlagerung zu mobilisieren.

Die Sofistik AG trägt dem Rechnung durch ein eigens für diese Aufgabenstellung entwickeltes finites Stabelement (Fiber Beam 2D). Durch interne Auflösung des Stabquerschnitts in einzelne "Fasern" wird die kontinuummechanische Materialreaktion (Spannung-Dehnung) eins zu eins in die Stabtheorie integriert. Auf diese Weise ergeben sich neue Möglichkeiten:

  • Optionales nichtlineares Materialverhalten für Stahl- und Beton-Materialien
  • Schädigungsmodell für Beton-Rissbildung
  • Abbildung des Verbundverhaltens Stahl/ Beton zwischen den Rissen (Tension Stiffening)
  • Temperaturabhängiges Materialverhalten: Heiße Arbeitslinien + nichtlineare Temperaturdehnung nach EN 1992-1-2:2004
  • Konsistente Berücksichtigung von Primärzuständen und Lastgeschichte

Dem Tragwerksplaner steht mit diesem Stabelement ein Werkzeug zur Analyse und realitätsnahen Simulation des Tragverhaltens von bewehrten und unbewehrten Betonstrukturen zur Verfügung. Es erweitert die Möglichkeiten der statischen Beurteilung von Bestandsbauwerken. Und es hilft, den im Rahmen der Normung gewährten Gestaltungsspielraum für den Entwurfsprozess auszunutzen.

Weitere Informationen zur Berechnung von Tunnelbauwerken sowie zu Fiber Beam 2D können per E-Mail an Sofistik angefordert werden.

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