Promotion Dennis Birkner

Am 26.09.2024 verteidigte Herr Dennis Birkner, M.Sc. erfolgreich seine wissenschaftliche Arbeit im Rahmen des Promotionsverfahrens mit dem Thema „Numerische Modellierung der Schädigungsentwicklung in ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen“. Neben dem Vorsitzenden der Promotionskommission, Prof. Dr. Viktor Mechtcherine, (TU Dresden), waren als Gutachter Prof. Dr. Steffen Marx (TU Dresden), Prof. Dr. Josef Hegger (RWTH Aachen University) und Prof. Dr. Stefan Löhnert (TU Dresden)  anwesend.

Abstract:

Das Ermüdungsverhalten von Beton wurde in der Literatur bislang sehr ausführlich anhand von zentrisch beanspruchten Zylinderprobekörpern untersucht. Untersuchungen, die sich mit zyklisch biegebeanspruchten Betonbauteilen im Druckschwellbereich beschäftigen, existieren nur in geringer Zahl. Solche Bauteile sind beispielsweise in Turmstrukturen von Windenergieanlagen vorhanden, die aktuell in großem Umfang errichtet werden. Für hochfesten Beton, wie er in solchen Bauwerken meist verwendet wird, liegen noch weniger Untersuchungsergebnisse vor. Aufgrund der hohen auftretenden Lastwechselzahlen und der großen Querschnittsabmessungen ist die versuchstechnische Untersuchung des Ermüdungsverhaltens solcher Strukturen mit großen Herausforderungen verbunden. Mit Hilfe von numerischen Simulationen kann hingegen eine Vielzahl an Parametervariationen innerhalb kürzester Zeit untersucht werden, wodurch eine beschleunigte Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Bauteilen möglich wird. Die dafür verwendeten Materialmodelle werden schnell sehr komplex und benötigen eine aufwendige Kalibrierung der Eingangsparameter an Bauteilversuchen. Ein Modell zur Abbildung der makroskopischen Schädigungsprozesse im Beton unter Ermüdungsbeanspruchung in Querschnitten unter Druckschwellbeanspruchung, das anhand von üblichen Zylinderversuchen kalibriert werden kann, existiert bisher nicht.

In der vorliegenden Arbeit wurden diese Punkte aufgegriffen und ein Modell zur Simulation der Dehnungs- und Schädigungsentwicklung von Beton unter Ermüdungsbiegebeanspruchung numerisch implementiert. Hierfür wurde ein dreistufiges Vorgehen gewählt. Im ersten Schritt wurden experimentelle Untersuchungen konzipiert und durchgeführt. Die Versuche waren eine wichtige Grundlage für das numerische Modell und wurden an zylindrischen und balkenförmigen Probekörpern durchgeführt. Aus statischen und zyklischen Versuchen an den Betonzylindern wurden die Eingangsparameter für das Materialmodell ermittelt und die Balkenversuche dienten zur Validierung des Modells. Diese wurden in einem Resonanzprüfstand durchgeführt, mit dem sich die erforderlichen großen Kräfte mit Belastungsfrequenzen von 19 Hz realisieren ließen. Damit konnten die hohen auftretenden Lastwechselzahlen in kurzer Zeit erreicht werden. Im zweiten Schritt wurde ein additives Dehnungsmodell in den Berechnungsablauf der Finite-Elemente-Software ANSYS Mechanical implementiert. Die zugrundeliegenden Funktionen für die Steifigkeits- und Dehnungsverläufe wurden aus Zylinderversuchen abgeleitet. Im dritten Schritt erfolgte die Validierung der numerischen Implementierung anhand der Balkenversuche. Es wurden unterschiedliche Phänomene betrachtet, wie z. B. die Temperatur- und Dehnungsentwicklung sowie die Veränderungen in der Materialsteifigkeit und die daraus resultierenden Spannungs­umlagerungen im Querschnitt.

In den experimentellen Untersuchungen der Balkenprobekörper wurde mit der Resonanzprüfmethode ein Ermüdungsversagen durch Abplatzen der Betondruckzone oder durch eine vollständige Zerstörung der Balken erzielt. Die ertragenen Lastwechselzahlen aller Balken lagen deutlich über den Bruchlastwechselzahlen nach fib Model Code 2010. Die Ursache dafür ist eine frühe Schädigung und Steifigkeitsabnahme der am stärksten beanspruchten Bereiche, die dort zu einer nachfolgenden Verringerung der Spannungen führte. In den numerischen Nachrechnungen konnten die in den Balken­versuchen beobachteten Effekte bestätigt werden. Vor allem die am stärksten geschädigten Bereiche konnten mit dem Modell sehr gut abgebildet werden. Es wurde zudem gezeigt, dass sich infolge der Entlastung der geschädigten Bereiche Spannungen in weniger stark beanspruchte Bereiche umlagerten. Dies bestätigte die positive Wirkung der Spannungsumlagerungen auf die Ermüdungslebensdauer der Bauteile. Mit dem Modell können Parameterstudien mit z. B. variierenden Belastungsniveaus oder Vorspannungsgraden durchgeführt werden, um wertvolle Erkenntnisse zur Vordimensionierung ermüdungsbeanspruchter Bauteile und zur Identifikation markanter Stellen in der Geometrie zu gewinnen. Für weiterführende Aussagen ist die Durchführung zusätzlicher Versuche notwendig, um das numerische Modell auf ein breiteres Parameterspektrum zu erweitern.

Wir gratulieren Dennis Birkner herzlich zum abgeschlossenen Promotionsverfahren und wünschen ihm alles erdenklich Gute und viel Erfolg für seinen weiteren Weg.