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Torsion

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Berechnungsannahmen

Das Verhalten eines Stahlbetonquerschnitts unter Torsionsbeanspruchung lässt sich in zwei Zustände einteilen - vor und nach dem Zeitpunkt, ab dem erstmals mit Rissen gerechnet werden kann. Vor der Rissbildung verhält sich der Querschnitt wie ein elastisches Material. Die Torsionsspannung kann mit der folgenden Formel ausgedrückt werden   

 τ= TEdWt\tau =~\frac{{{T}_{Ed}}}{{{W}_{t}}}τ= Wt​TEd​​ 

wobei Wt das Torsionswiderstandsmoment des Querschnitts ist.

Risse im unbewehrten Bauteil infolge der Hauptzugspannung aus Torsion gelten ebenfalls als Grenzzustand der Tragfähigkeit. Das Verhalten eines Stahlbetonquerschnitts unter Torsionsbeanspruchung kann anhand eines dünnwandigen geschlossenen Querschnitts beschrieben werden, siehe Abbildung unten. 

Equivalent thin-walled cross-section.\textsf{\textit{\footnotesize{\qquad Equivalent thin-walled cross-section.}}}Equivalent thin-walled cross-section.

Berechnungsablauf

Der Ablauf des Stahlbetonnachweises für Torsion ist dem Nachweis für Querkraft sehr ähnlich. Zunächst wird der Betonwiderstand nachgewiesen. Ist der Betonnachweis erfüllt, kann die Bewehrung nach den Konstruktionsregeln bemessen werden. Andernfalls müssen die Bewehrung und der Widerstand der Druckdiagonalen rechnerisch nachgewiesen werden.

Process diagram for torsion check.\textsf{\textit{\footnotesize{\qquad Process diagram for torsion check.}}}Process diagram for torsion check.

Widerstand

Der Schubfluss in einer Wand eines dünnwandigen Querschnitts unter Torsion kann wie folgt ausgedrückt werden:

τttef= TEd2Ak{{\tau }_{t}}{{t}_{ef}}=~\frac{{{T}_{Ed}}}{2{{A}_{k}}}τt​tef​= 2Ak​TEd​​

Die Querkraft in einer Wand eines dünnwandigen Querschnitts kann wie folgt ausgedrückt werden:

V=τttefzV={{\tau }_{t}}{{t}_{ef}}zV=τt​tef​z

Dabei ist 

τ          der Schubfluss in der Wand,

tef         die effektive Wanddicke,

z           die Seitenlänge der Wand,

TEd       das Torsionsmoment,

Ak        die von den Mittellinien der verbundenen Wände eingeschlossene Fläche, einschließlich innerer Hohlflächen.

Das Rissmoment bei Torsion kann bestimmt werden, indem fctd in den vorherigen Ausdruck eingesetzt wird. So erhalten wir den Ausdruck für den Torsionswiderstand ohne Torsionsbewehrung.

TRd,c=2Akteffctd{{T}_{Rd,c}}=2{{A}_{k}}{{t}_{ef}}{{f}_{ctd}}TRd,c​=2Ak​tef​fctd​

wobei  fctd       der Bemessungswert der zentrischen Betonzugfestigkeit ist

Principles of Truss analogy for member under torsion moment.\textsf{\textit{\footnotesize{\qquad Principles of Truss analogy for member under torsion moment.}}}Principles of Truss analogy for member under torsion moment.

Der Bauteilwiderstand mit Torsionsbewehrung setzt sich aus dem Widerstand der Betondruckdiagonalen zusammen, der wiederum auf dem Fachwerkmodell beruht. Die Druckspannung in der Diagonalen kann mithilfe der Querkraft in der Wand eines dünnwandigen Querschnitts auf der betrachteten Wandfläche ausgedrückt werden, d. h.

σc=TEdz2Aksin⁡θz tefcos⁡θ=TEd2Aktefsin⁡θcos⁡θ{{\sigma }_{c}}=\frac{\frac{{{T}_{Ed}}z}{2{{A}_{k}}\sin \theta }}{z~{{t}_{ef}}\cos \theta }=\frac{{{T}_{Ed}}}{2{{A}_{k}}{{t}_{ef}}\sin \theta \cos \theta }σc​=z tef​cosθ2Ak​sinθTEd​z​​=2Ak​tef​sinθcosθTEd​​

Durch Einsetzen von  σc=σcwfcd und TEd=TRd,max und Auflösen nach TRd,max erhalten wir die Gleichung für den Widerstand der Druckdiagonalen

TRd,max=2 ν αcw fcd Ak tef sin⁡θ cos⁡θ{{T}_{Rd,max}}=2~\nu ~{{\alpha }_{cw}}~{{f}_{cd}}~{{A}_{k}}~{{t}_{ef~\sin \theta ~\cos \theta }}TRd,max​=2 ν αcw​ fcd​ Ak​ tef sinθ cosθ​

wobei  

ν          = 0,6 für fck ≤ 60MPa oder  für fck > 60MPa

αcw       der Beiwert, der den Spannungszustand im Druckgurt berücksichtigt

fcd        der Bemessungswert der Betondruckfestigkeit

Der Widerstand der Querkraftbewehrung unter Torsion basiert ebenfalls auf der Spannung in der Druckdiagonalen. Die Bügelkraft entspricht der Spannung in der Druckdiagonalen auf der Fläche, die der jeweiligen Bügelreihe zugeordnet ist, d. h.

Aswfywd=TEd2Aktefsin⁡θcos⁡θ tef ssin⁡2θ=TEd s2Akcot⁡θ {{A}_{sw}}{{f}_{ywd}}=\frac{{{T}_{Ed}}}{2{{A}_{k}}{{t}_{ef}}\sin \theta \cos \theta }~{{t}_{ef}}~s{{\sin }^{2}}\theta =\frac{{{T}_{Ed}}~s}{2{{A}_{k}}\cot \theta }~Asw​fywd​=2Ak​tef​sinθcosθTEd​​ tef​ ssin2θ=2Ak​cotθTEd​ s​ 

Durch Einsetzen von  TEd=TRd,s und Auflösen nach TRd,s  erhalten wir die Gleichung:

 TRd,s=2AkAswfywds cot⁡θ{{T}_{Rd,s}}=2{{A}_{k}}\frac{{{A}_{sw}}{{f}_{ywd}}}{s}~\cot \thetaTRd,s​=2Ak​sAsw​fywd​​ cotθ 

Sind die Mengen der Längs- und Querkraftbewehrung bekannt, können wir den Winkel θ mit dem folgenden Ausdruck bestimmen

tan⁡2θ=AswfywdsAslfyduk{{\tan }^{2}}\theta =\frac{\frac{{{A}_{sw}}{{f}_{ywd}}}{s}}{\frac{{{A}_{sl}}{{f}_{yd}}}{{{u}_{k}}}}tan2θ=uk​Asl​fyd​​sAsw​fywd​​​ 

Durch Einsetzen in TRd,s erhalten wir

TRd,s=2AkAswsfywd Asluk fyd{{T}_{Rd,s}}=2{{A}_{k}}\sqrt{\frac{{{A}_{sw}}}{s}{{f}_{ywd~}}\frac{{{A}_{sl}}}{{{u}_{k}}}~{{f}_{yd}}}TRd,s​=2Ak​sAsw​​fywd ​uk​Asl​​ fyd​​  

Dabei ist

Asw      die Querschnittsfläche der Querkraftbewehrung

s           der Längsabstand der Bügel der Querkraftbewehrung

fywd      die wirksame Bemessungsfestigkeit der Querkraftbewehrung

Asl       die Querschnittsfläche der Längsbewehrung

uk         der äußere Umfang des Querschnitts

fywd      die wirksame Bemessungsfestigkeit der Längsbewehrung

Die Kraft in der Längsbewehrung kann aus der Querkraft in einer Wand eines Querschnitts unter reiner Torsionsbeanspruchung abgeleitet werden, die wie folgt gegeben ist:

V=TEd2AkukV=\frac{{{T}_{Ed}}}{2{{A}_{k}}}{{u}_{k}}V=2Ak​TEd​​uk​

Diese Kraft wird in Längsrichtung umgerechnet, und wir erhalten:

Fl=TEduk2Ak tan⁡θ{{F}_{l}}=\frac{{{T}_{Ed}}{{u}_{k}}}{2{{A}_{k}}~\tan \theta }Fl​=2Ak​ tanθTEd​uk​​

Der zulässige Wertebereich für den Winkel θ entspricht dem des Querkraftnachweises, d. h. 1 < cot θ < 2,5. Die Abhängigkeit zwischen den Widerständen ist in der Abbildung unten dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass mit zunehmendem Winkel θ  der Widerstand TRd,max zunimmt,  der Widerstand TRd.s abnimmt und der Widerstand TRd,c konstant bleibt, da er nicht auf dem Fachwerkmodell beruht.

Zaˊvislost uˊnosnosti pru˚rˇezu v kroucenıˊ na uˊhlu θ.\textsf{\textit{\footnotesize{\qquad Závislost únosnosti průřezu v kroucení na úhlu θ.}}}Zaˊvislost uˊnosnosti pru˚rˇezu v kroucenıˊ na uˊhlu θ.

Berechnung der Querschnittskennwerte für Torsion

Um den Querschnitt für Torsion nachzuweisen, ist es erforderlich, einen sogenannten äquivalenten dünnwandigen geschlossenen Querschnitt zu bestimmen. Zur Ermittlung der Abmessungen des äquivalenten dünnwandigen Querschnitts wird eine Rechteckform angenommen. Für die tatsächliche Fläche des Rechtecks gilt A = b×h und für den Umfang des Rechtecks u =2 (b +h). Mit diesen beiden Gleichungen lassen sich die Fläche und der Umfang eines alternativen dünnen Rechteckquerschnitts des ursprünglichen Querschnitts bestimmen. Die Lösung der zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten ergibt:

b=−u±u2−16A−4  ⁣ ⁣  ⁣ ⁣ b=\frac{-u\pm \sqrt{{{u}^{2}}-16A}}{-4}\text{ }\!\!~\!\!\text{ }b=−4−u±u2−16A​​   

h=(u−2b)2h=\frac{\left( u-2\text{b} \right)}{2}h=2(u−2b)​

Die Wanddicke des effektiven Querschnitts kann aus dem Umfang und der Querschnittsfläche wie folgt bestimmt werden:

t=A/ut=\text{A}/\text{u}t=A/u

Damit ergeben sich die Fläche und der Umfang bezogen auf die Mittellinie des effektiven Querschnitts:

Ak=(h−t)  ⁣ ⁣  ⁣ ⁣ (b−t)  ⁣ ⁣  ⁣ ⁣ {{A}_{k}}=\left( \text{h}-\text{t} \right)\text{ }\!\!~\!\!\text{ }\left( \text{b}-\text{t} \right)\text{ }\!\!~\!\!\text{ }Ak​=(h−t)   (b−t)   

uk=2((h−t)+  ⁣ ⁣  ⁣ ⁣ (b−t)){{u}_{k}}=2\left( \left( \text{h}-\text{t} \right)+\text{ }\!\!~\!\!\text{ }\left( \text{b}-\text{t} \right) \right)uk​=2((h−t)+   (b−t))

Das Problem dieser Methode tritt bei Querschnitten vom Typ T mit breitem Flansch auf, wenn die Gesamtfläche und der Gesamtumfang zur Berechnung der Abmessungen herangezogen werden (einschließlich dieses Flansches). In zukünftigen Versionen des Programms IDEA RCS wird die Auswahl des massivsten Querschnittsteils möglich sein, der dann für den Torsionsnachweis verwendet wird.