Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Beanspruchung

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Beanspruchung im ungerissenen und gerissenen Beton bei den Versagensarten Herausziehen des Bewehrungsstabes und Spalten des Betons für unterschiedliche Mörtelsysteme experimentell und numerisch untersucht. Zum Vergleich wurden einbetonierte Bewehrungsstäbe geprüft. Anhand der Ergebnisse wurden die Einflussfaktoren auf das Verbundspannungs-Verschiebungsverhalten von eingemörtelten und einbetonierten Bewehrungsstäben aufgezeigt und bewertet. Darüber hinaus wurde ein Vorschlag zur Bemessung von nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Beanspruchung hergeleitet. Das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter monotoner Belastung im ungerissenen Beton hängt wesentlich vom verwendeten Mörtelsystem ab. Es kann etwa ähnlich, günstiger jedoch auch ungünstiger sein als das von einbetonierten Bewehrungsstäben. Bei zyklischer Belastung zwischen vorgegebenen Verschiebungen kommt es zu Verbundschädigungen. Zur Bewertung der Verbundschädigung wurden die Abnahme der Verbundspannung bei der maximalen Verschiebung unter zyklischer Belastung und die Resttragfähigkeit nach zyklischer Belastung herangezogen. Die Verbundschädigung nimmt mit zunehmendem Verschiebungswert während der zyklischen Belastung zu und ist bei einseitiger zyklischer Belastung deutlich geringer als bei wechselnder Belastung. Dies gilt für einbetonierte und eingemörtelte Bewehrungsstäbe. Das Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter monotoner Belastung wird durch Risse im Beton wesentlich beeinflusst. Mit zunehmender Rissbreite nimmt die Verbundfestigkeit wesentlich ab. Dabei kann die Abnahme der Verbundfestigkeit stärker oder vergleichbar zum Verhalten von einbetonierten Rippenstäben sein. Dieses Ergebnis steht teilweise im Widerspruch zu Angaben in der Literatur, wonach die Verbundfestigkeit von eingemörtelten Bewehrungsstäben durch Risse im Beton deutlich stärker beeinflusst wird als bei einbetonierten Bewehrungsstäben. Unter sonst gleichen Versuchsbedingungen ist im gerissenen Beton die Schädigung des Verbundes durch zyklische Belastungen größer als im ungerissenen Beton. Dabei verhalten sich Bewehrungsstäbe, die mit geeigneten Injektionsmörtelsystemen eingemörtelt werden ähnlich oder günstiger als einbetonierte Bewehrungsstäbe. Als geeignet werden Injektionssysteme eingestuft, die unter monotoner Belastung im ungerissenen und gerissenen Beton ein vergleichbares oder günstigeres Verbundspannungs-Schlupf-Verhalten aufweisen als einbetonierte Rippenstäbe. Geeignete Injektionsmörtelsysteme weisen auch im gerissenen Beton unter zyklischer Belastung eine geringere Verbundschädigung auf als einbetonierte Bewehrungsstäbe. Das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben mit großer Verankerungslänge unter zyklischer Belastung wurde numerisch untersucht. Dazu wurde das nichtlineare FE-Programm MASA verwendet, das auf dem Microplane-Materialmodell für Beton und einer verschmierten Rissmodellierung (Rissbandmethode) basiert. Der Verbund zwischen Bewehrungsstahl und Beton wurde durch ein diskretes Verbundmodell (Lettow (2006)) modelliert. Bei diesem Verbundmodell wird die Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung bei monotoner Belastung eingegeben. Der Einfluss weiterer Parameter wird automatisch erfasst. Die durchgeführten Rechnungen gelten für die Versagensart Herausziehen. Die Nachrechnung der Versuche mit kurzer Verankerungslänge zeigte, dass das verwendete Verbundmodell prinzipiell in der Lage ist, das Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Belastung mit ausreichender Genauigkeit zu beschreiben. Allerdings muss der Schädigungsparameter für Verankerungen im gerissenen Beton modifiziert werden, weil die Verbundschädigung im gerissenen Beton stärker ist als im ungerissenen Beton. Die Eignung des Mörtelsystems ist durch Ausziehversuche mit eingemörtelten Bewehrungsstäben unter monotoner und zyklischer Beanspruchung nachzuweisen. Die Versuche unter monotoner Beanspruchung sollten nach dem Technical Report (EOTA (2006)) durchgeführt werden. Die Versuchsergebnisse müssen alle in EOTA (2006) angegebenen Bedingungen erfüllen. Für den zyklischen Eignungsnachweis ist ein Vorschlag in der Arbeit gegeben. Nach EOTA (2006) sind nur Versuche im ungerissenen Beton erforderlich. In den durchgeführten zyklischen Versuchen war das Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben im gerissenen Beton demjenigen von einbetonierten Bewehrungsstäben vergleichbar, wenn das Verbundverhalten der eingemörtelten Bewehrungsstäbe unter monotoner Belastung im gerissenen Beton gleich oder günstiger war als das von einbetonierten Rippenstäben, ansonsten nicht. Dieses Ergebnis gilt jedoch streng nur für die untersuchten Injektionsmörtelsysteme. Daher wird empfohlen, zusätzlich Vergleichsversuche mit eingemörtelten Bewehrungsstäben unter Verwendung der zu beurteilenden Injektionsmörtel im gerissenen Beton durchzuführen. Dies gilt insbesondere auch für die Überprüfung des Verbundverhaltens unter zyklischer Belastung.

This dissertation addresses the behaviour of bonded reinforcing bars (rebar) in uncracked and cracked concrete under cyclic loading. The behaviour of various adhesive mortars was investigated both experimentally and numerically for the failure modes rebar pullout and concrete splitting. Cast-in-place rebars were also tested for comparison. The parameters influencing the bond stress-slip behaviour are identified and evaluated based on the results. Additionally, a design approach is recommended for post-installed bonded rebar connections used to resist cyclic loading. The load-bearing behaviour of post-installed bonded rebars in uncracked concrete depends significantly on the type of mortar used. One can achieve similar behaviour to that of cast-in-place rebars, however, superior or inferior performance is also possible. Bond is damaged under cyclic loading to a prescribed displacement. To evaluate the bond damage, the reduction of the bond stress at the maximum displacement under cyclic loading and the residual load capacity after cycling is investigated. The bond damage increases as the maximum displacement during cycling increases. Damage is significantly less for pulsating cyclic loading than for reversed cyclic loading. This is valid for both cast-in-place and post-installed rebars when the bond behaviour of the post-installed rebar under monotonic loading is similar, superior or inferior to that of a comparable cast-in-place rebar. The bond behaviour of post-installed rebars under monotonic loading is significantly influenced by the presence of cracks in the concrete. The bond strength decreases with increasing crack width. The decrease of the bond strength can be similar or more severe than that of a comparable cast-in-place rebar. This result is somewhat contradictory to the literature that suggests that the bond strength of post-installed rebar is more negatively affected by cracks than cast-in-place rebar. Under otherwise comparable conditions, the bond damage in cracked concrete due to cycling is more severe than in uncracked concrete. However, the behaviour of a rebar with a suitable injection mortar system can be similar or superior to that of a cast-in-place rebar. Suitable injection mortar systems are those that display a similar or superior bond stress-slip behaviour to that of a cast-in-place rebar in uncracked and cracked concrete under monotonic loading. Suitable injection mortar systems exhibit less bond damage than cast-in rebars under cyclic loading even in cracked concrete. The load-bearing behaviour of post-installed rebars with longer embedment depth under cyclic loading was studied in a numerical investigation. The nonlinear finite element analysis program MASA, which is based on the microplane material model for concrete and the crack band regularization method, was used for the analysis. The bond between the rebar and the concrete was modelled using a discrete bond element (Lettow (2006)). The input for this discrete bond element is a monotonic bond stress-slip relationship. The influence of other parameters is determined automatically. The simulations performed are valid for pullout failure mode. Simulation of the experimental tests with short rebar embedment depth demonstrates that the discrete bond model can represent the bond behaviour of post-installed rebars under cyclic loading with sufficient accuracy. However, the damage accumulation parameter for anchorages in cracked concrete must be modified because the damage progression is stronger in cracked concrete than in uncracked concrete. According to results of the parameter studies, the bond damage decreases with increasing anchorage length because load can be redistributed to less highly loaded portions of the rebar at the unloaded end. This behaviour is valid for both cast-in-place and post-installed rebars independent of the type of mortar system. The suitability of the injection mortar system must be demonstrated using monotonic and cyclic pullout tests with bonded rebars. The tests under monotonic loading should be performed according to the Technical Report (EOTA (2006)). The test results must fulfil all of the conditions in EOTA (2006). For the cyclic loading a test proposal is given in the dissertation. According to EOTA (2006), only tests in uncracked concrete are required. In the tests conducted for this dissertation, the bond behaviour of post-installed rebars in cracked concrete was comparable to that of cast-in-place rebars, as long as the behaviour of the post-installed rebar under monotonic loading in cracked concrete was similar or superior to that of a cast-in-place rebar, if not it was different. This conclusion is strictly valid only for the investigated injection mortar systems. Therefore, further comparison tests with post-installed rebar for other injection mortar systems are recommended in cracked concrete. This also applies for the validation of the bond behaviour under cyclic loading.