vorfabrizierte, vorgespannte...
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Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Bericht
CC Konstruktiver Ingenieurbau
Prof. Dr. Karel Thoma
hauptamtlicher Dozent
T direkt +41 41 349 34 02
Dr. Birgit Seelhofer
wissenschaftliche Mitarbeiterin
T direkt +41 41 349 34 25
Geht an:
Stadt Zürich–Amt für Hochbauten
Eberhard Bau AG, Kloten
Richi AG, Weiningen
Horw, 17. Dezember 2013
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Durchstanzversuche mit Recyclingbeton aus Mischabbruch
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ............................................................................................................................ 2
1. Einleitung ............................................................................................................................... 3
2. Versuchskörper ...................................................................................................................... 3
2.1. Abmessungen und Bewehrungsanordnung ............................................................................. 3
2.2. Baustoffe ................................................................................................................................ 5
3. Versuchsdurchführung ........................................................................................................... 9
3.1. Messungen ........................................................................................................................... 10
4. Versuchsresultate ................................................................................................................. 13
4.1. Effektive Abmessungen und Höchstlasten mit Durchbiegungen ........................................... 13
5. Versuchsanalyse ................................................................................................................... 21
5.1. Vergleich der Versuchswerte mit der Nachrechnung ............................................................ 21
5.2. Ermittlung von Dmax,eff .......................................................................................................... 24
Bezeichnungen ............................................................................................................................... 25
Literaturverzeichnis ....................................................................................................................... 26
I. Anhang ................................................................................................................................. 27
I.1. Frisch- und Festbetonprüfungen ........................................................................................... 27
I.2. Last-Durchbiegungsbeziehungen .......................................................................................... 28
I.3. Hauptverzerrungen ............................................................................................................... 40
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Zusammenfassung
An je drei nicht schubbewehrten, quadratischen Platten aus Recyclingbeton mit Mischgranulat der
Unternehmen Eberhard Bau AG, Kloten und Richi AG, Weiningen wurden Durchstanzversuche
durchgeführt. Ziel der Versuche galt der Kalibrierung des bei Querkraft- bzw.
Durchstanznachweisen zu verwendeten Grösstkornwerts der Gesteinskörnung Dmax. Aktuell wird
gemäss SIA 262:2013 [1] und Merkblatt 2030 [2] Recyclingbeton wie Leichtbeton behandelt und
Dmax = 0 gesetzt.
Die Auswertung der Versuchsresultate zeigte:
- Die Versuche der Unternehmen Richi AG P1.1, P2.1, P3.1, und Eberhard Bau AG, P1.2, P2.2,
P3.2 verhielten sich alle ähnlich und sind mit dem Tragverformungsverhalten von Platten
aus herkömmlichem Beton vergleichbar.
- Infolge des höheren Anteils an Zuschlagskörnern geringerer Festigkeit und der damit
Verbundenen Durchtrennung der Zuschläge im massgebenden Riss kann auf eine etwas
geringere Rissverzahnung als bei herkömmlichem Beton geschlossen werden.
- Der ermittelte mittlere Grösstkornwert der Gesteinskörnung beträgt für die Versuche P1.1,
P2.1 und P3.1 Dmax,eff = 23 mm sowie für die Versuche P1.2, P2.2 und P3.2 Dmax,eff = 28 mm.
Für die Verwendung bei Querkraft- bzw. Durchstanznachweisen gemäss SIA 262:2013 [1]
wird ein Unternehmen unabhängiger Wert von
Dmax,rc/Dmax,c = 0.65
empfohlen.
Zur Ermittlung eines mit Recyclingbeton erreichbaren oberen Grenzwerts der Querkraft bzw.
Durchstanzlast VR,max sowie zur Optimierung des Faktors ksys, welcher die Wirksamkeit der
Durchstanzbewehrung beschreibt, wird die Durchführung weiterer Durchstanzversuche mit
eingelegter Durchstanzbewehrung vorgeschlagen. Aufgrund des jetzigen Kenntnisstands muss
gemäss SIA 262:2013–4.3.6.5.7 mit ksys = 2.0 gerechnet werden.
Horw, 17.12.2013
Prof. Dr. K. Thoma Dr. B. Seelhofer
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
1. Einleitung
Anhand der Durchführung von sechs Durchstanzversuchen soll sowohl das Durchstanz- als auch
das Schubtragverhalten von nicht schubbewehrten Platten aus Recyclingbeton mit Mischgranulat
(RC-M) untersucht werden.
Die Versuchsserie umfasste sechs quadratische Platten mit 3.3 m Seitenlänge. Es wurden in drei
Serien je zwei identische Platten geprüft. Diese waren einerseits mit Recyclingbeton aus der
Eberhard Bau AG, Kloten und andererseits mit Recyclingbeton von der Richi AG, Weiningen
hergestellt. Zur Vergleichbarkeit der beiden Betone wurden folgende Eigenschaften gefordert:
- RC-M 25/30 - Rc + Rb 25%
- XC1-XC3 - Rc ≥ 5 %
- W/C = 0.65 - Dmax = 32 mm
- Ec = 25‘000 N/mm2
Der Anteil an recycelten Körnern Rb, bestehend aus Mauer- und Dachziegeln, aus gebranntem Ton,
Kalksandsteinen und nicht schwimmenden Porenbetonsteinen wurde gemäss SIA-Merkblatt SIA
2030 2.2.4 [2] definiert. Die Wahl des Zements wurde den Herstellern überlassen.
Zur eindeutigen Bestimmung der Bruchmechanismen und der Bewehrungslagen wurden die
Probekörper nach Versuchsende in zwei Hälften zersägt.
2. Versuchskörper
2.1. Abmessungen und Bewehrungsanordnung
Es wurden drei Versuchsserien mit je zwei bis auf den Beton identische Platten geprüft. Die Serien
unterschieden sich in den Plattendicken und dem Durchmesser der oberen Bewehrungslagen.
Tabelle 1 zeigt die Bezeichnungen der durchgeführten Versuche mit der Anzahl geprüfter
Versuchskörper, der dazugehörigen Plattendicke, dem Betonlieferant und der Bewehrung in den
zwei oberen Lagen.
Versuch Anzahl Plattendicke h Betonlieferant Biegebewehrung oben
P1.1
P1.2 1
1 28 cm Richi AG
Eberhard Bau AG ø 20 mm, s = 100 mm
P2.1
P2.2 1
1 22 cm Richi AG
Eberhard Bau AG ø 18mm, s = 100 mm
P3.1
P3.2 1
1 22 cm Richi AG
Eberhard Bau AG ø 14 mm, s = 100 mm
Tabelle 1 Auflistung der drei Versuchsserien mit je zwei Platten.
In einem Abstand von 1.5 m von Plattenmitte wurden in regelmässigen Abständen Aussparungen
mit einem Durchmesser von 63 mm angebracht, durch welche die Gewindestangen der Pressen
geführt wurden. Die Abmessungen der Platten, die Bewehrungslage und die Anordnung der für die
Krafteinleitung erforderlichen Aussparungen sind Bild 1 zu entnehmen.
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Bild 1 Abmessungen [mm] und Bewehrungsanordnung der Versuchskörper
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2.1.1. Herstellung und Lagerung
Bei der Herstellung der Versuchskörper im Elementwerk Stüssi AG in Dällikon wurde der fertige
Beton jeweils von den Unternehmen Eberhard AG resp. Richi AG im Fahrmischer angeliefert und
nach Einbringen in die Schalung auf dem Rütteltisch verdichtet. Nach zwei resp. vier Tagen fand
der Transport durch selbige Unternehmen zur Versuchsvorbereitung an die HSLU statt. Die Platten
wurden in den Versuchsstand eingebaut und die für die Materialversuche benötigten Betonzylinder
bis zum Prüftermin neben der Platte gelagert.
Bild 2 zeigt die Plattenschalungen mit eingelegten Bewehrungsstäben vor dem Betonieren.
Bild 2 Plattenschalung mit eingelegten Bewehrungsstäben und Rohren für die Aussparungen.
2.2. Baustoffe
Die Festigkeitsprüfungen des Betons wurden am CC Konstruktiver Ingenieurbau der HSLU
durchgeführt, die Prüfung der Bewehrungsstäbe erfolgte am Institut für Baustatik und Konstruktion
der ETH Zürich.
2.2.1. Beton
Zur Ermittlung der Festigkeitswerte und des Spannungs-Dehnungsverhaltens des Betons wurden im
Elementwerk Stüssi AG zeitgleich mit der Betonierung der Platten jeweils sechs Betonzylinder mit
einem Durchmesser d = 160 mm und einer Höhe h = 320 mm hergestellt. Die Lagerung der
Zylinderproben erfolgte entsprechend der Prüfkörper.
Vier Betonzylinder dienten zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls sowie der einachsigen
Druckfestigkeit. Zwei Zylinder wurden für die Stempeldruckversuche halbiert und daraus die
Spaltzugfestigkeit bestimmt.
Die Prüfungen erfolgten an der Druckprüfmaschine 3000 kN an der Materialprüfstelle des CCKI.
Bei der Bestimmung des E-Moduls wurde zur Dehnungsmessung ein Baustoff-
Feindehnungsmessgerät mit Messbereich zwischen +/- 1000 μm verwendet.
Beim verwendeten Beton handelte es sich um Pumpbeton mit Grösstkorndurchmesser von 32 mm.
Zusammenfassend zeigt Tabelle 2 die Resultate der Festigkeitsprüfungen und E-Modulprüfungen,
welche an jeweils 6 Betonzylindern erfolgte. Die Klammerwerte zeigen die Standardabweichung.
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Versuchskörper P1.1 P1.2 P2.1 P2.2 P3.1 P3.2
Probenalter [d] 8 10 8 10 8 9
Höhe [mm] 148.9 1) 317.5 316.9 318.0 316.5 316.5
[0.9] [1.2] [1.4] [1.3] [0.6] [0.4]
Durchmesser [mm] 148.5 1) 159.8 159.8 159.8 159.8 159.8
[-] [0.0] [0.0] [0.0] [0.0] [0.0]
Rohdichte ρrEcm [kg/m3] 2297 1) 2203 2278 2111 2207 2169
[-] [9] [9] [5] [11] [15]
Zylinderdruckfestigkeit frcm
[N/mm2]
30.5 2) 30.9 33.2 31.0 27.1 31.1
[-] [0.9] [0.4] [1.4] [0.2] [1.2]
Spaltzugfestigkeit frcts
[N/mm2]
- 2.3 2.6 2.3 2.4 2.1
[-] [0.2] [0.1] [0.1] [0.2] [0.3]
Elastizitätsmodul Ercm
[N/mm2]
22‘7903) 19‘560 24‘680 19‘500 19‘950 18‘240
[-] [590] [860] [920] [810] [2450]
1) Die Werte wurden an zwei Betonwürfeln ermittelt.
2) Frcm = 0.81*frcm,cube
3) Schätzwert aus Ercm = 9725·(fcm)^1/3·0.8·ρrcm/2450
Tabelle 2 Betonkennwerte der Prüfzylinder: Mittelwerte der Festigkeitsprüfungen und E-Modulprüfungen;
Klammerwerte: Standardabweichung.
Sämtliche Ergebnisse der Frisch- sowie Festbetonkontrollen sind im Anhang in Tabelle I
zusammengefasst. Die Frischbetonkontrollen erfolgten ca. 30 Minuten nach dem Betonieren der
Platten im Elementwerk Stüssi AG in Dällikon. Gemessen wurden die Frischbetonrohdichte, der
Wassergehalt, der Wasserzementwert, die Konsistenz sowie der Luftporengehalt. Ausserdem
wurden die Würfeldruckfestigkeit, der Elastizitätsmodul und die Rohdichte nach 2, 7 und 28 Tagen
bestimmt, sowie die Einteilung der Bestandteile der Recycling Gesteinskörnungen ermittelt. Alle
Prüfungen wurden durch das LPM Beinwil am See durchgeführt.
P1.2 P2.1 P2.2 P3.1 P3.2
Bild 3 Zylinderschnittflächen der Betonprüfkörper.
Die in Bild 3 abgebildeten Schnittflächen der geprüften Betonkörper geben einen Eindruck der
Zusammensetzung der verwendeten Zuschlagskörner.
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2.2.2. Betonstahl
In Tabelle 3 sind die Resultate der Festigkeitsprüfung zusammengefasst. Pro Durchmesser wurden
vier Zugversuche durchgeführt. Die Bestimmung des effektiven Durchmessers erfolgte mittels
Wägung und Längenmessung unter Annahme einer Stahldichte von 7850 kg/m3. Neben der
Zugkraft und dem Kolbenweg der Prüfmaschine wurde die Dehnung in Stabmitte mit einem
induktiven Wegaufnehmer über eine Basislänge von 300 mm gemessen.
Nomineller Durchmesser [mm] 10 14 18 20
Stahlsorte kaltverformt kaltverformt naturhart naturhart
Effektiver Durchmesser [mm] 9.8
[0.0]
13.9
[0.1]
18.3
[0.1]
20.1
[0.1]
Dyn. Fliessgrenze fs,dyn [N/mm2] 511.3
[2.4]
482.5
[8.2]
531.9
[6.6]
576.1
[12.8]
Stat. Fliessgrenze fs,stat [N/mm2] 483.9
[3.2]
455.2
[8.4]
514.9
[8.0]
559.7
[12.8]
Dyn. Zugfestigkeit ft,dyn [N/mm2] 578.4
[1.2]
574.2
[8.8]
626.1
[7.3]
689.7
[13.3]
Stat. Zugfestigkeit ft,stat [N/mm2] 536.9
[1.2]
529.8
[1.8]
586.6
[4.8]
649.9
[11.5]
Verhältnis ft,stat / fs,stat [-] 1.09
[0.01]
1.16
[0.01]
1.14
[0.01]
1.16
[0.00]
Dehnung bei Höchstlast εsu [‰] 47.5
[9.0]
64.4
[0.9]
115.0
[9.9]
111.4
[1.9]
Elastizitätsmodul Es [N/mm2] 193‘100
[2800]
192‘600
[4400]
186‘300
[2300]
198‘100
[3600]
Tabelle 3 Betonstahl: Mittelwerte der Festigkeitsprüfungen der Durchmesser 10 mm, 14 mm, 18 mm und
20 mm; Klammerwerte Standardabweichung.
Sämtliche in Tabelle 3 aufgeführten Festigkeitswerte wurden anhand des effektiven
Stabdurchmessers berechnet. Die statischen Werte der Fliessgrenze und der Zugfestigkeit wurden
durch Reduktion der dynamischen Festigkeitswerte um den Spannungsabfall in den jeweiligen
Laststufen ermittelt. Die aufgeführten Werte der Elastizitätsmoduln des Betonstahls entsprechen
der mittleren Steigung der Stahlkennlinie zwischen 100 und 400 N/mm2. Bild 4 zeigt die
Spannungs-Dehnungs-Diagramme der Stahlversuche. Die Elastizität der Prüfmaschine wurde bei
der Berechnung der Dehnungen berücksichtigt.
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Bild 4 Spannungs-Dehnungsdiagramme der Stahlzugversuche.
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3. Versuchsdurchführung
Die Versuchsdurchführung erfolgte am CC Konstruktiver Ingenieurbau der Hochschule Luzern,
Technik & Architektur auf dem Aufspannboden. Der Versuchstand setzte sich aus einem mittigen
Auflager mit 30 cm Durchmesser und 16 Hydraulikzylindern mit Maximallast von 150 kN
zusammen. Die Krafteinleitung erfolgte gleichmässig verteilt auf einem Radius von 1.5 m.
Nach Einbau der Platte wurden für die Oberflächendehnungsmessungen Messbolzen geklebt sowie
die Oberseite und sämtliche Stirnflächen der Probekörper zur besseren Risserkennung weiss
gestrichen. Das um die Prüfplatte aufgebaute KANAY-Messgestell diente zur Halterung der
induktiven Wegaufnehmer. Bild 5 und Bild 6 zeigen den Versuchsaufbau und Anordnung der
Messeinrichtung.
Bild 5 Versuchsaufbau und Messeinrichtung.
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a) b)
Bild 6 a) Draufsicht auf die eingebaute Versuchsplatte vor Versuchsbeginn, b) Ansicht der Platte, den
Versuchsstand und das Messgestell.
In Tabelle 4 sind die Herstellungs- und Prüfdaten der Stahlbetonplatten aufgeführt, sowie das
Betonalter zum Zeitpunkt der Prüfung.
Versuchsreihe und Prüfkörper Herstelldatum Prüfdatum Betonalter
P1.1 Biegebewehrung ø 20 mm, s = 100 mm 11.09.13 19.09.13 8 d
P1.2 Biegebewehrung ø 20 mm, s = 100 mm 16.09.13 26.09.13 10 d
P2.1 Biegebewehrung ø 18mm, s = 100 mm 25.09.13 03.10.13 8 d
P2.2 Biegebewehrung ø 18mm, s = 100 mm 30.09.13 10.10.13 10 d
P3.1 Biegebewehrung ø 14 mm, s = 100 mm 09.10.13 17.10.13 8 d
P3.2 Biegebewehrung ø 14 mm, s = 100 mm 14.10.13 23.10.13 9 d
Tabelle 4 Herstellungs- und Prüfdaten der Stahlbetonplatten.
Die Belastung der Platten erfolgte kontinuierlich mit einer durchschnittlichen
Belastungsgeschwindigkeit der Pressen von 850 N/s. Während drei Laststufen, LS1 bis LS3, von ca.
40, 60 und 80 % der erreichten Bruchlast wurde die Belastung angehalten, die Durchbiegung der
Platte konstant gehalten und dabei Deformetermessungen durchgeführt sowie Risse angezeichnet.
Während der gesamten Prüfdauer wurden die Kraft in vier Hydraulikzylindern sowie die
Durchbiegung auf der Oberseite der Platte und in Auflagernähe auf der Plattenunterseite
kontinuierlich gemessen.
3.1. Messungen
Die Messung der vertikalen Plattendurchbiegung erfolgte durch induktive Wegaufnehmer mit
einem Messbereich von 5 mm. Die Frequenz der Messdatenübertragung betrug während der
gesamten Versuchsdauer 1 Hz. Angeordnet wurden die Wegaufnehmer über der Platte auf drei
Symmetrieachsen im Abstand von 300, 500, 850 und 1500 mm vom Plattenmittelpunkt, siehe
Bild 7. Auf der Plattenunterseite wurden sechs Wegaufnehmer ebenfalls auf den Symmetrieachsen
im Abstand von 150 mm von der Auflagerplatte befestigt.
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Bild 7 Messanordnung der Wegaufnehmer und Deformetermesspunkte.
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Zur Bestimmung der mittleren Verzerrungen wurden auf der Ober- und Unterseite in einem Viertel
der Platte Deformetermessungen durchgeführt. Die Lage und Nummerierung der 200 mm und
282 mm langen Messstrecken ist in Bild 8 ersichtlich.
Bild 8 Nummerierung und Lage der Deformetermessstrecken.
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Vor Belastungsbeginn erfolgten zur Fehlerminimierung zwei Nullmessungen. Anschliessend wurde
in jeder Laststufe eine Messung durchgeführt. Die drei Laststufen LS 1 bis LS 3 der Versuche und
die dazugehörigen Gesamtlasten bei Messbeginn FA und Messende FE sind in Tabelle 5 aufgeführt.
w1 und w2 bezeichnen die mittleren Plattendurchbiegungen im Radius der Krafteinleitung, in
Richtung der 3. bzw. 4. Biegebewehrungslage.
Versuchs-
reihe LS 1 LS 2 LS 3
FA [kN] FE [kN] w1 [mm]
w2 [mm] FA [kN] FE [kN]
w1 [mm]
w2 [mm] FA [kN] FE [kN]
w1 [mm]
w2 [mm]
P1.1 400 352 2.24
2.07 600 543
4.67
4.20 800 743
7.41
6.64
P1.2 320 285 1.49
1.37 480 440
2.79
2.55 640 591
4.42
3.99
P2.1 260 223 2.71
2.38 390 352
5.80
5.02 550 504
9.92
8.86
P2.2 200 163 1.571)
1.752) 300 274
3.121)
3.662) 400 366
4.861)
5.732)
P3.1 200 159 2.15
1.88 300 264
5.35
4.68 400 358
8.91
7.90
P3.2 200 164 2.71
2.44 300 265
6.18
5.41 400 366
10.69
9.48
1) in Richtung der 4. Bewehrungslage
2) in Richtung der 3. Bewehrungslage
Tabelle 5 Laststufen mit Gesamtlast bei Messbeginn FA, Gesamtlast bei Messende FE sowie gemittelter
Durchbiegung w1 = Mittelwert(W21 ; W33) und w2 = Mittelwert(W29 ; W41).
4. Versuchsresultate
4.1. Effektive Abmessungen und Höchstlasten mit Durchbiegungen
In Tabelle 6 sind die effektiv gemessene Plattendicken h und mittleren statischen Höhen dm sowie
die ermittelten Höchstlasten Vmax der einzelnen Versuche aufgeführt. Ausserdem sind entsprechend
Tabelle 5 die dazugehörigen, mittleren Durchbiegungen im Radius der Krafteinleitung in Richtung
beider Bewehrungslagen, w1max und w2max, sowie der Diagonalen w3max angegeben.
Probekörper P1.1 P1.2 P2.1 P2.2 P3.1 P3.2
Plattendicke h [mm] 282 282 223 220 220 221
Statische Höhe dm [mm] 227 230 173 174 179 162
Höchstlast Vmax [kN] 959 1054 704 705 566 559
Maximale Durchbiegung w1max [mm]
w2max [mm]
w3max5)[mm]
9.93
8.90
9.06
9.80
8.91
9.27
14.32
12.62
13.15
11.743)
13.554)
12.40
16.16
14.41
14.67
18.75
16.67
16.98
3) in Richtung der 4. Bewehrungslage
4) in Richtung der 3. Bewehrungslage
5) w3 = Mittelwert(W25 ; W37)
Tabelle 6 Zusammenfassung: effektive Plattendicken h, mittlere statische Höhen dm und Höchstlasten Vmax mit
zugehörigen Durchbiegungen wmax im Radius der Krafteinleitung.
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Der Vergleich der Höchstlasten und zugehörigen Durchbiegungen aus Versuch P1.1 und P1.2 mit
einem früheren an der HSLU durchgeführten Versuch mit herkömmlichem Beton ( fc = 26 N/mm2,
Ec = 35‘300 N/mm2, fs = 501 N/mm2, Vmax = 1095 MN, wmax = 8.1 mm) und gleichen
Abmessungen zeigt ein ähnliches Verhalten [4].
In Bild 9 bis Bild 11 sind die Versuche P1.1 und P1.2, P2.1 und P2.2 bzw. P3.1 und P3.2 mit den Last-
Verformungskurven V-w1, V-w2 und V-w3 gegenübergestellt.
Bild 9 Gegenüberstellung der Platten P1.1 und P1.2: Lastverformungskurven V-w1, V-w2 und V-w3.
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Bild 10 Gegenüberstellung der Platten P2.1 und P2.2: Lastverformungskurven V-w1, V-w2 und V-w3.
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Bild 11 Gegenüberstellung der Platten P3.1 und P3.2: Lastverformungskurven V-w1, V-w2 und V-w3.
Die Gegenüberstellung zeigt, dass sich die Platten der Unternehmen Richi AG P1.1, P2.1, P3.1, und
Eberhard Bau AG, P1.2, P2.2, P3.2, ähnlich verhalten haben. Die Unterschiede in der Steifigkeit und
Festigkeit sind in allen drei Versuchsserien klein und betragen nicht mehr als 8 %. Dies lässt sich
auch aus Tabelle 6 entnehmen. Einzig der Steifigkeitsunterschied zwischen P3.1 und P3.2 ist etwas
grösser und liegt bei 20 %.
Die Kraft-Durchbiegungsbeziehungen der einzelnen Wegaufnehmer W18 bis W41 sind im Anhang
dargestellt, siehe Bild I bis XII.
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In Bild 12 und Bild 13 sind die Rissbilder der Laststufen LS 1 bis 3 dargestellt. Alle Platten weisen
ein gleichmässiges Rissbild mit feiner Rissverteilung auf. In LS 3 zeichnet sich bereits das Ausmass
des Bruchkegels ab.
a)
b)
Bild 12 Rissbilder der Laststufen LS 1 bis 3: a) P1.1, b) P1.2.
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a)
b)
c)
d)
Bild 13 Rissbilder der Laststufen LS 1 bis 3: a) P2.1, b) P2.2, c) P3.1, d) P3.2.
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Sämtliche Hauptverzerrungen aller Laststufen LS1 bis LS3, welche in einem Quadrant auf der
Plattenober- und Unterseite gemessenen wurden, befinden sich im Anhang in Bild XIII bis XXX.
Bild 14 zeigt die Schnittflächen der getrennten Plattenhälften. Die Neigungswinkel der Bruchkegel
betrugen bei den Platten P1.1, P1.2, P2.1, und P2.2 ca. 35° zur Horizontalen gemessen. Bei den Platten
P3.1 sowie auf einer Seite von P3.2 wurde eine Bruchkegelneigung von ca. 43° zur Horizontalen
gemessen.
Bild 14 Plattenhälften mit Bruchkegel: von oben nach unten P1.1, P1.2, P2.1, P2.2, P3.1 und P3.2.
Die Bruchflächen bei Versuch P1.1 und P1.2 verliefen nach Erreichen der oberen Bewehrungslagen
parallel zu den Bewehrungsstäben und traten erst ca. 50 cm ausserhalb an die Oberfläche. Die
Bruchkegel wiesen an der Betonoberfläche einen Durchmesser von 1,95 m auf, siehe Bild 15. Bei
den Platten der Höhe 22 cm durchliefen die Rissflächen die oberen Bewehrungslagen direkt mit
einem sehr flachen Neigungswinkel und bildeten an der Oberfläche Bruchkegel mit einem
Durchmesser zwischen 1.3 m und 1.7 m.
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P1.1 P1.2
P2.1 P2.2
..
P3.1 P3.2
..
Bild 15 Rissverläufe in den Bruchkegeln.
Bild 15 zeigt den Rissverlauf in den Bruchkegeln. Die Bruchflächen durchlaufen die
Zuschlagskörner geringer Festigkeit, wie z.B. Ziegel. Daher kann auf eine etwas geringere
Rissverzahnung als bei herkömmlichem Beton geschlossen werden.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
5. Versuchsanalyse
5.1. Vergleich der Versuchswerte mit der Nachrechnung
In Tabelle 7 sind die Daten der Versuche und Nachrechnung aller Platten zusammengestellt. In den
ersten beiden Zeilen sind die maximal erreichten Querkräfte Vmax,Versuch aus den Versuchen sowie
die dazugehörigen Mittelwerte der Durchbiegung im Radius der Krafteinleitung wmax,Versuch
aufgeführt. Die angegebenen Durchbiegungen zeigen das Mittel beider Bewehrungslagen und
wurden aus den gemessenen Werten der Wegaufnehmer W21, W33, W29 und W41 bestimmt.
Versuche P1.1 P1.2 P2.1 P2.2 P3.1 P3.2
Vmax,Versuch [kN] 959 1054 704 705 566 559
wmax,Versuch [mm] 9.4 9.4 13.5 12.6 15.3 17.7
Vmax,Dmax=0 [kN] 1325 1355 870 858 673 640
VRc,Dmax=0 [kN] 809 828 538 529 427 405
wmax, Dmax=0 [mm] 5.8 5.8 8.9 8.6 11.7 12.7
Vmax,Dmax=16 [kN] 1655 1692 1092 1077 854 812
VRc,Dmax=16 [kN] 969 992 650 639 525 498
wmax, Dmax=16[mm] 7.7 7.7 11.7 11.5 16.1 17.3
Vmax,Dmax=32 [kN] 1870 1912 1239 1220 914 887
VRc,Dmax=32 [kN] 1063 1088 718 705 588 556
wmax, Dmax=32[mm] 8.8 8.8 13.6 13.2 19.0 20.5
Tabelle 7 Vergleich der Nachrechnung und Versuche: Mittelwerte.
Zur Nachrechnung der Versuche wurde das Modell des kritischen Schubrisses [3], welches an der
EPFL entwickelt wurde, verwendet. Bei dem semi-empirischen Modell wird von drei möglichen
Versagenskriterien ausgegangen: Versagen infolge Betondruckbruchs im Stützenbereich VR,max,
Versagen des innersten Bewehrungsrings infolge eines kombinierten Beton- und Stahlversagens
VR,in und Schubversagen ausserhalb des verstärkten Bereichs VR,out. Die beschriebenen Widerstände
sind von der Plattenrotation ψ abhängig, welche sich am Stützenrand konzentrieren. Daher lassen
sich die Durchbiegungen im Radius der Krafteinleitung wmax mit
( ) (5.1)
bestimmen, wobei RQ–Rs = 1350 mm.
Da in diesen Versuchen keine Durchstanzbewehrung eingelegt wurde, wird VR,in gemäss (5.2) nur
aus dem Betonversagen bestimmt.
( ) ( ) √
(5.2)
Der Umfang uin wird bei einer Distanz von 0.5 dm vom Stützenrand ermittelt.
Der maximal mögliche Widerstand VR,max, welcher mit diesen Platten bei vorhandener
Durchstanzbewehrung erreicht werden könnte, hängt gemäss (5.2) von der Wirksamkeit des
Durchstanzsystems ksys ab.
( ) ( ) (5.2)
ksys wird gemäss SIA 262:2013 – 4.3.6.5.7 [1], mit 2.0 angenommen.
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Das Schubversagen ausserhalb des verstärkten Bereichs VR,out fällt infolge der fehlenden
Durchstanzbewehrung mit VR,in zusammen.
( ) ( ) (5.3)
Die Last-Rotationsdurchbiegungskurven wurden mit der Plattenrotation
( )
(
)
(5.4)
berechnet, wobei Es = 205 kN/mm2 und Vflex der Widerstand des massgebenden,
rotationssymmetrischen Biegemechanismus bedeutet.
Für jeden Versuch wurden die Widerstände gemäss [2] mit Dmax = 0 mm berechnet, woraus die
untersten Linien der Kurvenschar von VR,in und VR,out resultierten. Ebenso wurde die Berechnung
mit Dmax = 16 mm (mittlere Kurve) und Dmax = 32 mm (oberste Kurve) durchgeführt. In allen
Versuchen liegt die erreichte maximale Querkraft Vmax,Versuch zwischen den oberen zwei
Kurvenlinien, siehe Bild 16, Bild 17 und Bild 18.
Bild 16 Nachrechnung der Versuche P1.1 und P1.2: Last-Durchbiegungskurve berechnet und aus Versuch (fett)
sowie Betonversagen.
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Bild 17 Nachrechnung der Versuche P2.1 und P2.2: Last-Durchbiegungskurve berechnet und aus Versuch (fett)
sowie Betonversagen.
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Bild 18 Nachrechnung der Versuche P3.1 und P3.2: Last-Durchbiegungskurve berechnet und aus Versuch (fett)
sowie Betonversagen.
5.2. Ermittlung von Dmax,eff
Zur Bestimmung des effektiven Werts des Maximalkorns Dmax,eff wurde (5.2) nach Dmax aufgelöst
und VR,c (ψ = ψVersuch) = Vmax,Versuch gesetzt. Die Werte für frcm und dm sind Tabelle 2 bzw. Tabelle 6
zu entnehmen. Die Resultate sind in Tabelle 8 aufgeführt.
Versuche P1.1 P2.1 P3.1 P1.2 P2.2 P3.2
Vmax,Versuch [kN] 959 704 566 1054 705 559
ψmax,Versuch [-] 6.96·10-3 10.0·10-3 11.3·10-3 6.96·10-3 9.33·10-3 13.1·10-3
Dmax,eff [mm] 22.0 28.9 19.3 30.6 26.5 25.9
Mittelwert [mm] 23.4 27.7
Standardabweichung[mm] 5.0 2.6
Tabelle 8 Versuchswerte Vmax,Versuch und ψmax,Versuch sowie effektiver Wert des Maximalkorns Dmax,eff: mit
Mittelwert und Standartabweichung der jeweiligen Hersteller.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bezeichnungen
Lateinische Kleinbuchstaben
d Durchmesser
dm mittlere statische Höhe
frcm Mittelwert der Zylinderdruckfestigkeit von Recyclingbeton
fs Fliessgrenze des Bewehrungsstahls
ft Zugfestigkeit des Bewehrungsstahls
fwrcm Mittelwert der Würfeldruckfestigkeit von Recyclingbeton
h Höhe
ksys Wirksamkeitsfaktor der Durchstanzbewehrung
s Bewehrungsabstand
u Umfang
w Durchbiegung
Lateinische Grossbuchstaben
Dmax,rc Grösstkorn der Gesteinskörnung von Recyclingbeton
Dmax,c Grösstkorn der Gesteinskörnung von herkömmlichem Beton
Ercm Mittelwert des Elastizitätsmoduls von Recyclingbeton
Es Mittelwert des Elastizitätsmoduls von Betonstahl
P Probekörperbezeichnung
Ra Körner aus bitumenhaltigen Materialien, gemäss SN EN 933-11
Rb Körner aus Mauer- und Dachziegeln aus gebranntem Ton, Kalksandsteinen,
Porenbetonsteinen (nicht schwimmend), gemäss SN EN 933-11
Re Körner aus Beton, Betonprodukten, Mörtel und Mauersteinen aus Beton, gemäss
SN EN 933-11
Rg Glaskörner, gemäss SN EN 933-11
RQ Radius der Lastanleitung
Rs Stützenradius
Ru Ungebundene Gesteinskörner, Naturstein und hydraulisch gebundene Gesteinskörner
RC Recyclingbeton
RC-M Recyclingbeton aus einer Gesteinskörnung mit mindestens 25 Massenprozent Re + Rb und
mindestens 5 Massenprozent Rb
V Querkraft
Vflex Widerstand des massgebenden Biegemechanismus
Vmax Höchstlast
VR,c Betonversagen
VR,in kombiniertes Beton- und Stahlversagen
VR,out Schubversagen ausserhalb des verstärkten Durchstanzbereichs
X Körner aus sonstigen Materialien
X… Expositionsklasse
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Griechische Kleinbuchstaben
εsu Dehnung von Betonstahl bei Höchstlast
ψ Plattenrotation
ρFB Frischbetonrohdichte
ρrfcm Rohdichte an Würfel bestimmt
ρrEcm Rohdichte an Zylindern der E-Modulprüfung bestimmt
Literaturverzeichnis
[1] SIA, Schweizer Norm SIA 262:2013 ‒ Betonbau, Schweizerischer Ingenieur und
Architektenverein, Zürich, 2013, 102 pp.
[2] SIA, Merkblatt 2030 ‒ Recyclingbeton, Schweizerischer Ingenieur und Architektenverein,
Zürich, 2010, 16 pp.
[3] Ruiz, F.M. und Muttoni, A., „Application of Critical Shear Crack Theory to Punching of
Reinforced Concrete Slabs with Transverse Reinforcement“, ACI Structural Jounal,
Juli/August, 2009, pp. 485–494.
[4] Ladner, M., „Durchstanzversuch an Flachdeckenausschnitt“, Untersuchungsbericht,
Hochschule Luzern – Technik & Architektur, Horw, September 1999, 22 pp.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
I. Anhang
I.1. Frisch- und Festbetonprüfungen
Versuchskörper P1.1 P1.2 P2.1 P2.2 P3.1 P3.2
Ausbreitmass [mm] 535 530 530 595 610 550
Rohdichte FB ρFB [kg/m3] 2328 2262 2324 2225 2319 2252
w/zeq [-] 0.58 0.60 0.61 0.61 0.65 0.57
Temperatur FB [°C] 22.0 19.0 24.0 21.0 20.5 20.0
Temperatur L [°C] 15.5 13.5 24.0 15.5 16.0 16.5
fwrcm,2d [N/mm2] 20.4 24.6 24.2 25.4 14.4 24.4
ρrfcm,2d [kg/m3] 2310 2260 2310 2210 2230 2170
fwrcm,7d [N/mm2] - 40.0 35.7 35.0 29.1 36.9
ρrfcm,7d [kg/m3] - 2260 2330 2230 2290 2250
fwrcm,28d [N/mm2] 43.6 46.6 47.2 44.7 40.4 47.4
ρrfcm,28d [kg/m3] 2260 2240 2340 2230 2320 2270
Ercm,28d [N/mm2] 27‘000 21‘800 26‘500 24‘200 25‘800 25‘500
ρrEcm,28d [kg/m3] 2347 2246 2355 2186 2279 2308
Ra [M.%] 0 0 2 0 2 0
Rb [M.%] 7 16 7 19 7 11
Rc [M.%] 22 53 32 42 30 30
Ru [M.%] 71 31 59 39 61 59
Rg [M.%] 0 0 0 0 0 0
X [M.%] 0 0 0 0 0 0
FL [cm3/kg] 0 0 0 0 0 0
Tabelle I Zusammenstellung der Betonkennwerte der Frisch- und Festbetonprüfungen; Mittelwerte.
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I.2. Last-Durchbiegungsbeziehungen
Bild I Platte P1.1: Last-Durchbiegungskurven aus W18 bis W29.
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Bild II Platte P1.1: Last-Durchbiegungskurven aus W30 bis W41.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bild III Platte P1.2: Last-Durchbiegungskurven aus W18 bis W29.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bild IV Platte P1.2: Last-Durchbiegungskurven aus W30 bis W41.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bild V Platte P2.1: Last-Durchbiegungskurven aus W18 bis W29.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Bild VI Platte P2.1: Last-Durchbiegungskurven aus W30 bis W41.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Bild VII Platte P2.2: Last-Durchbiegungskurven aus W18 bis W29.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Bild VIII Platte P2.2: Last-Durchbiegungskurven aus W30 bis W41.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bild IX Platte P3.1: Last-Durchbiegungskurven aus W18 bis W29.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bild X Platte P3.1: Last-Durchbiegungskurven aus W30 bis W41.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bild XI Platte P3.2: Last-Durchbiegungskurven aus W18 bis W29.
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
Bild XII Platte P3.2: Last-Durchbiegungskurven aus W30 bis W41.
Horw, 17. Dezember 2013
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I.3. Hauptverzerrungen
a)
b)
Bild XIII Platte P1.1, LS1: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 1.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 1.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
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a)
b)
Bild XIV Platte P1.1, LS2: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 1.1 oben
Hauptverzerrungen LS_2
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Versuchskörper 1.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XV Platte P1.1, LS3: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 1.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 1.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 43/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XVI Platte P1.2, LS1: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 1.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 1.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
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Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XVII Platte P1.2, LS2: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 1.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 1.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 45/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XVIII Platte P1.2, LS3: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 1.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 1.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 46/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XIX Platte P2.1, LS1: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 2.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 2.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 47/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XX Platte P2.1, LS2: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 2.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 2.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 48/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXI Platte P2.1, LS3: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 2.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 2.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 49/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXII Platte P2.2, LS1: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 2.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 2.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 50/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXIII Platte P2.2, LS2: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 2.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 2.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 51/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXIV Platte P2.2, LS3: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 2.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 2.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 52/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXV Platte P3.1, LS1: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 3.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 3.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 53/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXVI Platte P3.1, LS2: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 3.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 3.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 54/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXVII Platte P3.1, LS3: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 3.1 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 3.1 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 55/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXVIII Platte P3.2, LS1: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 3.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_1
Versuchskörper 3.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 56/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXIX Platte P3.2, LS2: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 3.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_2
Versuchskörper 3.2 unten
Horw, 17. Dezember 2013
Seite 57/57
Bericht ‒ Durchstanzversuche mit RC-M
a)
b)
Bild XXX Platte P3.2, LS3: a) Hauptverzerrungen auf Plattenoberseite, b) Hauptverzerrungen auf
Plattenunterseite.
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 3.2 oben
Druck
Zug
ausgefallene
Messstrecken
1050
[‰]
Hauptverzerrungen LS_3
Versuchskörper 3.2 unten