Ergebnisse in Querrichtung

Querrichtung mit festem Verbund

Die Temperaturspannungsberechnungen in Querrichtungen waren erforderlich, um die Bildung von hydraulisch wirksamen Rissen zu untersuchen. Die Berechnungen wurden deshalb auf der ungünstigen Seite liegend zunächst mit festem Verbund (ohne Kontaktzone) ausgeführt.

Die Spannungs- und Festigkeitsverläufe über der Zeit sind in Abbildung 32 dargestellt. Alle Spannungen überschreiten nach rd. 500 Stunden die Bauwerkszugfestigkeit und erreichen Werte, die rund 2-fach über der Zugfestigkeit liegen. Der Rissindex beträgt demzufolge nur rd. 0,52, s. Abbildung 33. Im Bauwerk entstehen Risse, d.h. es liegt erhebliche Rissgefahr vor.

-1,0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Zeit [h]

Abb. 32 Zeitliche Entwicklung der Spannungen und der Festigkeiten in Querrichtung; Fester Sohlverbund, Frischbetontemperatur 20 °C, 0,05% Schwinden

0,0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

RissindexJcr (Festigkeit / Spannung) [ - ]

Punkt 1

Querrichtung mit Kontaktzone

Durch diese Berechnungsvariation sollte untersucht werden, wie sich das zugrunde Legen einer Kontaktzone auf die Spannungen auswirkt. Dabei wurde realistischer Weise unterstellt, dass sich das Bauwerk durch Rissbildung vom Gebirge löst und die Rissgefahr im übrigen Bauwerk durch diesen Zwangabbau reduziert werden kann.

Für die Kontaktzone zum Bauwerk wurden in der Berechnung grundsätzlich die mechanischen Eigenschaften des Salzgebirges zu Grunde gelegt. Die unterstellten Materialeigenschaften weichen jedoch in zwei Punkten von denen des Salzgebirges ab:

x Die Zugfestigkeit in der Kontakt- bzw. Verbundzone wird mit 0,2 MPa angesetzt.

x Spannungen über der Zugfestigkeit führen in der Kontakt- bzw. Verbundzone zum Riss.

Für die Berechnungen wurde ein vereinfachter Querschnitt gewählt. Die Außenabmessungen des Abdichtungsbauwerks wurden im Wesentlichen beibehalten (siehe Abbildung 21), während die Betoniergeschwindigkeit nicht berücksichtigt wurde, weil die Betoniergeschwindigkeit nur eine untergeordnete Rolle bei der Betrachtung des Rissindexes spielt.

In Abbildung 34 sind die Spannungsverläufe für einen Berechnungsfall über der Zeit für diese Punkte dargestellt. Zusätzlich ist die erhärtungsabhängige Zugfestigkeitsentwicklung für diese Punkte aufgetragen.

Bis in ein Alter von 180 h entstehen in den Auswertepunkten zunächst Druckspannungen mit einem Maximum nach 155 h. Danach kehren sich die Spannungen um und es entstehen Zugspannungen. Nach rd.

210 h wird das Maximum der Zugspannungen erreicht, danach nehmen die Zugspannungen drastisch ab.

Dies liegt daran, dass es zu diesem Zeitpunkt zu Rissen in der Kontaktzone kommt. Die Risse in der Kontaktzone führen zu diesem Zeitpunkt zu einer deutlichen Verminderung des Zwangs, was zu der in Abbildung 34 sichtbaren sprunghaften Zugspannungsabnahme führt. Bei diesem lokalen Zuspannungsmaximum wird der minimale Rissindex von 2,06 erreicht.

Die Entstehung des Risses in der Kontaktzone ist exemplarisch in den Abbildung 35 bis 40 dargestellt. Die Abbildungen zeigen für verschiedene Zeitpunkte die geometrische Ausbildung der Risse im Querschnitt.

Farbabstufungen entlang der Kontaktzone zeigen den Riss und die Rissgefahr. Die rote Farbe kennzeichnet den Riss mit der vollständigen Kraftentkopplung.

-1,0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Zeit [h]

Abb. 34: Zeitliche Entwicklung der Spannungen und der Festigkeiten in Querrichtung;

Frischbetontemperatur 20 °C, 0,05% Schwinden

Abb. 35: Zeitpunkt 50 h; beginnende Rissbildung in der Kontaktzone

Abb. 36: Zeitpunkt 100 h; fortschreitende Rissbildung in der Kontaktzone, Ecken noch fest

Abb. 37: Zeitpunkt 170 h; kaum Veränderungen zum Zeitpunkt 100 h

Abb. 38: Zeitpunkt 210 h; Ecken vollständig vom Salzgebirge abgelöst, erheblicher Spannungssprung; vgl. Abbildung 34

Abb. 39: Zeitpunkt 230 h; in der Symmetrieachse sind noch letzte Stellen mit Haftverbund in der Kontaktzone vorhanden

Abb. 40: Zeitpunkt 270 h; vollständiger Riss in der Kontaktzone

0,0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Zeit [h]

RissindexJcr (Festigkeit / Spannung) [ - ]

Punkt 1

Abb. 41: Graphische Darstellung des Rissindexes Jcr für den Salzbetonkörper in Querrichtung über der Zeit; Frischbetontemperatur 20 °C, 0,05% Schwinden

Aus den Verläufen von Spannungen und Festigkeitsentwicklung über der Zeit kann dann der Rissindex (Jcr = fct/V) in Abhängigkeit von der Zeit berechnet und dargestellt werden (s. Abbildung 41). Für alle anderen Berechungsrandbedingungen (Frischbetontemperatur, Schwinddehnung) sind die entsprechenden Diagramme in [11] enthalten.

In Tabelle 10 sind für alle Berechnungsrandbedingungen die minimalen (und damit maßgeblichen) Rissindices während der Erhärtungsdauer bzw. des Berechnungszeitraumes zusammengestellt.

Tab. 10: Ausgewertete Rissindices für den Salzbetonkörper der Simulationsberechnungen in Querrichtung mit Auflockerungszone (Querschnitt 4,6 x 5,7 m²)

Frischbetontemperatur [°C]

Für Frischbetontemperaturen von 25 und 30 °C ist der Rissindex größer als unter gleichen Bedingungen bei 20 °C. Dies ist dadurch zu erklären, dass sich in der Simulationsberechnung bei Frischbetontemperaturen von 25 und 30 °C bereits direkt nach dem Einbringen des Frischbetons ein Riss in der Kontaktzone an der Sohle bildet. Dies führt in der weiteren Berechnung zu einer Reduktion des Zwangs und somit zu geringeren Zwangsspannungen im Bauwerk, was wiederum zu einem höheren Rissindex führt.

Dieses Berechnungsergebnis bedarf allerdings einer weiteren Interpretation. Die modellierte Kontaktzone mit einer Zugfestigkeit von 0,20 MPa ab dem Betonalter von 0 Stunden wird plötzlich durch das Einbringen des Frischbetons erwärmt und dehnt sich aus. Durch die feste Anbindung an das Salzgebirge entstehen unmittelbar Zwangsspannungen in der modellierten Kontaktzone, die deren Zugfestigkeit überschreiten und folglich zum Riss führen.

Die in der Simulation modellierte Kontaktzone stellt ein Modell des Haftverbundes zwischen Beton und Gebirge dar. Dieser Haftverbund kann in der Realität nicht gelöst werden bzw. liegt noch nicht vor, solange der Beton noch frisch ist und noch keine Festigkeit hat. Bei dem Vergleich von Berechnung und Realität bei Frischbetontemperaturen von 25 °C und 30 °C ist zu folgern, dass sich der in der Berechnung ergebende Riss in der Kontaktzone in der Realität nicht so früh einstellen wird wie es die Berechnung vermuten lässt.

Aufgrund des fehlenden Zwangs durch den sofortigen Riss an der Bauwerkssohle ist ein Vergleich der Ergebnisse mit 25 und 30 °C Frischbetontemperatur mit den Ergebnissen bei 20 °C Frischbetontemperatur deshalb nur bedingt aussagekräftig.

Dennoch kann davon ausgegangen werden, dass sich Risse in der Kontaktszone auch für Frischbetontemperaturen t 25 °C wie bei den Berechnungen mit 20 °C Frischbetontemperatur einstellen werden. Unter gleichen Randbedingungen wäre für diese Berechnungsfälle mit steigender Frischbetontemperatur mit einem geringeren Rissindex zu rechnen.

In allen Berechnungsläufen der Simulationsvarianten hat sich das Abdichtungsbauwerk vom Gebirge abgelöst. Der in den Berechnungen aufgetretene Riss ist komplett umlaufend und verläuft in der Kontaktzone. Dies beruht auf der geringen Festigkeit der Kontaktzone.

Die Rissbildung (bis hin zum Ringspalt) an dieser Stelle führt gleichzeitig zu einer Verringerung der Dehnungsbehinderung in Quer- und auch in Längsrichtung (Zwangabbau). Für das Abdichtungsbauwerk bedeutet dies, dass die Spannungsentwicklung im Abdichtungsbauwerk nach erfolgter Rissbildung in der Kontaktzone nur noch von Eigenspannungen dominiert wird. Externer Zwang nach dem Bruch der Verbundfuge Salzbetonkörper - Gebirge entsteht nicht mehr.