C3-V2.1-I-a: Ermüdung von Carbonbeton
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
Titel | Title TP C3-V2.1-I-a: Ermüdungsverhalten von Carbonbeton sowie carbonbetonverstärkte Bauteile unter statischer und zyklischer Dauerlast im Verbundvorhaben C3-V2.1: Dauerstandverhalten von Carbonbeton | TP C3-V2.1-I-a: Fatigue behaviour of carbon reinforced concrete and structural elements strengthened with carbon reinforced concrete under static and cyclic long-term load as part of the joint research project C3-V2.1: Long-term behaviour of carbon reinforced concrete Förderer | Funding Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Projektträger: FZ Jülich GmbH / C3 – Carbon Concrete Composite Zeitraum | Period 09.2017 – 06.2020 Verbundvorhabenleiter | Leader of the joint research project Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Leiter Teilvorhaben | Subproject manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiterinnen | Contributors Dipl.-Ing. Elisabeth Schütze, Dipl.-Ing. Juliane Wagner Projektpartner | Project Partners 7 Partner, davon 4 aus der Forschung und 3 Firmen |
Bericht aus dem Jahrbuch 2020
UNERMÜDLICHE CARBONSTÄBE
Ziel der Carbonbetonbauweise ist es, eine gegenüber Stahlbeton deutlich längere Lebens-dauer zu erreichen. Die Grundlagen hierfür wurden im Verbundvorhaben C3-V2.1 „Dauerstandverhalten von Carbon-beton“ im Rahmen des Bauforschungs-projektes C³ – Carbon Concrete Composite gelegt. Hier konnten umfassende Kennt-nisse zum Verhalten von Carbonbeton unter statischer und zyklischer Dauerbean-spruchung gewonnen werden. Zunächst wurden geeignete kleinteilige Versuche durchgeführt, mit denen das Material-verhalten von Carbonbeton für unterschiedliche Belastungszeiträume und Schwing-spielzahlen unter verschiedenen, definierten Lastniveaus und maßgebenden Expositionen untersucht werden konnten.
Neben verschiedenen Carbontextilien in geeigneter Betonmatrix, wurden in diesem Vorhaben auch handelsübliche Carbonstäbe ohne ummantelnde Betonmatrix in Ermüdungsversuchen untersucht. Ziel dabei war es, eine Aussage über deren Tragverhalten unter Zugschwellbelastung treffen zu können. Dafür wurden bei verschiedenen Unterlasten die zugehörigen Oberlasten je Prüfserie variiert, um S-N-Linien als Materialparameter für das Ermüdungsverhalten kreieren zu können. Hierbei wurde die Anzahl der maximal zu erreichenden Schwingspiele auf 2 Millionen begrenzt. Die in den Versuchen erzielten Ergebnisse sind durchaus positiv zu bewerten. Wie aus dem Kunststoffbau bekannt, lag auch bei den Carbonstäben eine eindeutige Abhängigkeit der erreichbaren Schwingspielzahl sowohl von der Unterlast als auch von der Oberlast vor. Die erzielten Schwingspielzahlen streuten dabei sehr gering, sodass mittels der Versuchsergebnisse S-N-Linien zur Prognose des Materialverhaltens
erstellt werden konnten. An Probekörpern, welche nicht während der Ermüdungs-belastung versagten, wurde schließlich noch die Resttragfähigkeit nach der Ermüdungs-beanspruchung getestet. Hier ließ sich ebenfalls kein negativer Einfluss der Ermüdungs-belastung erkennen. Die Resttragfähigkeit lag bei allen Probekörpern nahe der statischen Referenztragfähigkeit und teilweise sogar deutlich darüber.
Anhand von Bauteilversuchen wurde anschließend bei unserem Projektpartner – dem Institut für Massivbau der TU Darmstadt – die Übertragbarkeit des, in den kleinteiligen Versuchen nachgewiesenen, Materialverhaltens auf große Bauteile überprüft und verifiziert. Somit konnte im Vorhaben ein großer Schritt in Richtung der Prognose über die Lebensdauer für Carbonbetonbauteile getan und der Weg für die Zukunft des Carbonbetons geebnet werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
DIE KÖNN‘ GANZ SCHÖN WAS AB!
Im Vorhaben C3-V2.1 wird kein Probekörper geschont. Für die zuverlässige Gewährleistung einer langen Lebensdauer von Carbonbeton in verschiedensten Anwendungsfällen muss dessen Materialverhalten unter Dauerbeanspruchung genauestens bekannt sein. Hierfür werden zahlreiche Dauerversuche sowohl unter ruhender als auch unter zyklischer Dauerbelastung durchgeführt.
Zunächst werden zahlreiche kleinteilige Probekörper über verschiedene Belastungszeiträume mit verschiedenen Lastniveaus und Belastungsregimes getestet. Hierbei werden Ansätze für die Prognose des Materialverhaltens aufgestellt und validiert. Anhand von Bauteilversuchen zur Biege- und Querkrafttragfähigkeit soll anschließend die Übertragbarkeit des in den kleinteiligen Versuchen nachgewiesenen Materialverhaltens auf große Bauteile überprüft werden. Dafür wird – soweit verfügbar – auf bestehende Ingenieurmodelle für das Tragverhalten von Carbonbetonbauteilen zurückgegriffen (diese beruhen zumeist auf Kurzzeitversuchen). Deren Übertragbarkeit auf das Bauteilverhalten unter zyklischer bzw. statischer Dauerbelastung ist zu prüfen.
Deshalb stehen seit Mitte 2019 mehrere Bauteile in unseren Versuchshallen, deren Anblick den Betrachter staunen lässt. Es handelt sich dabei um Plattenbalken und Platten zur Überprüfung der Querkraft- und Biegetragfähigkeit unter statischer Dauerlast. Beide Bauteilarten bestehen aus einem Grundkörper aus Stahlbeton mit einer zusätzlichen einlagigen Verstärkungsschicht aus Carbonbeton.
Um die extrem hohen Lasten aufzubringen, wurden die Plattenbalken zur Aufbringung einer Querkraftbelastung gegeneinander gespannt. In beiden Bauteilen herrscht somit nahezu das gleiche Lastniveau vor, welches ca. 60 % der Traglast quasistatisch belasteter Referenzbauteile entspricht. Die zwei Biegeplatten wurden mittels Totlasten aus Stahlgewichten belastet. Mit Lasten von 70 bzw. 85 % der Referenzlast in Textilebene tragen die Bauteile somit teilweise über 7 Tonnen an Gewicht. Die hohen Belastungen sieht man allen Bauteilen an. Ist jedoch das in den kleinteiligen Versuchen ermittelte Tragverhalten auf die Bauteile übertragbar, so sollten diese trotz großer Verformungen die Standzeit von 5000 Stunden ohne Versagen überdauern. Da kann man nur anerkennend sagen: starke Dinger!
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
ÜBER DURCHLÄUFER UND VERSAGER
Wie lange hält ein Carbonbetonbauteil eigentlich bei üblicher Belastung? Um diese Frage zu beantworten und die Lebensdauer von Carbonbeton zuverlässig vorhersagen zu können, wurde das Verbundvorhaben C3-V2.1 initiiert. Neben kleinteiligen Versuchen unter statischer und zyklischer Dauerlast sollen hier auch Bauteilversuche zur Überprüfung der Übertragbarkeit der Ergebnisse durchgeführt werden. Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg.
In den jüngsten Testreihen wurde das Ermüdungsverhalten von Carbonbeton an kleinteiligen Probekörpern untersucht. Hierfür wurden Einstufenschwingversuche zur Bestimmung des Zugtrag- und Verbundtragverhaltens durchgeführt. Die verwendete Materialkombination – ein Carbontextil mit Epoxidharztränkung, eingebettet in hoch-
festen Beton – soll dem Einsatz in Carbonbeton-Neubauteilen dienen.
In den Untersuchungen wurden bei verschiedenen Unterspannungen die zugehörigen Oberspannungen je Prüfserie variiert, mit dem Ziel, S-N-Kurven als Materialparameter für das Ermüdungsverhalten zu kreieren.
Hierbei wurde die Anzahl der maximal zu erreichenden Schwingspiele auf 2 Millionen begrenzt. In den Verbundversuchen lag der Fokus vorerst auf der Untersuchung verschiedener Verankerungslängen, um zu überprüfen, ob eine Ermüdungsbeanspruchung Auswirkungen auf die notwendige Verankerungslänge hat.
Die bisherigen Ergebnisse der kleinteiligen Versuche sind durchaus positiv zu bewerten. Unabhängig von der getesteten Unterspannung versagten die ersten Probekörper in den Zugversuchen erst bei Oberspannungen oberhalb von 80 % der statischen Referenztragfähigkeit. Auch in den Verbundversuchen lassen sich positive Ergebnisse verzeichnen. Hier wurde die notwendige Verankerungslänge zur vollen Übertragung der Lasten zwischen Textil und Beton in statischen Versuchen beim dreifachen Querfaserstrangabstand ermittelt. In den zyklischen Versuchen konnte kein negativer Einfluss der Ermüdungsbelastung auf die Verbundlänge festgestellt werden, lediglich die Probekörper mit sehr kurzen Verankerungslängen versagten hier sehr schnell.
An Durchläufern wurde zusätzlich noch die Resttragfähigkeit nach der Ermüdungsbeanspruchung getestet. Hier ließ sich ebenfalls kein negativer Einfluss der Ermüdungsbelastung erkennen. Die Resttragfähigkeit lag bei allen Probekörpern nahe der statischen Referenztragfähigkeit und teilweise sogar deutlich darüber.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
WIE LANGE HÄLT CARBONBETON?
Mit Carbonbeton wird eine gegenüber Stahlbeton deutlich längere Lebensdauer angestrebt. Grundlage für die zuverlässige Gewährleistung dieser Lebensdauer in den verschiedensten Anwendungsfällen sind umfassende Kenntnisse zum Verhalten von Carbonbeton unter statischer und nicht vorwiegend ruhender Dauerbean-spruchung. Um diese Kenntnisse zu erlangen, müssen zunächst Verfahren entwickelt und getestet werden, die die Prognose des Tragverhaltens von Carbonbeton unter Dauerbeanspruchung ermöglichen.
In angrenzenden Werkstoffbereichen wie Stahlbeton und (ansatzweise) Textilbeton, aber auch für Faserverbundkunststoffe bestehen zwar bereits verschiedene Ansätze für Prüfkonzepte und Ingenieurmodelle für die Prognose des Dauerstand- und Ermüdungs-verhaltens, deren Übertragbarkeit auf Carbonbeton muss jedoch erst noch geprüft werden. Im Vorhaben C3-V2.1 des Projekts C3 – Carbon Concrete Composite sind dafür Dauerversuche sowohl unter ruhender als auch unter nicht vorwiegend ruhender, zyklischer Dauerbelastung geplant, mit denen das Materialverhalten von Carbonbeton in geeigneten kleinteiligen Versuchen für unterschiedliche Belastungszeiträume und Schwingspielzahlen unter verschiedenen, definierten Lastniveaus und maßgebenden Expositionen untersucht werden kann. Angestrebt ist es, Ansätze für die Prognose des Materialverhaltens aufzustellen und mithilfe dieser Versuchsergebnisse zu validieren.
Anhand von Bauteilversuchen unter ausgewählten Randbedingungen soll anschließend die Übertragbarkeit des in den kleinteiligen Versuchen nachgewiesenen Materialverhaltens unter Dauerbelastung auf große Bauteile überprüft werden. Dafür wird, soweit verfügbar, auf bestehende Ingenieurmodelle für das Tragverhalten von Carbonbetonbauteilen zurückgegriffen (die nach heutigem Stand der Technik zumeist auf Kurzzeitversuchen beruhen), deren Übertragbarkeit auf das Bauteilverhalten unter zyklischer bzw. statischer Dauerbelastung zu prüfen ist. Dieses Vorgehen soll es schließlich ermöglichen, beispielhaft für verschiedene Materialkombinationen – untersucht werden sowohl Carbonstäbe als auch zwei verschiedene Textilvarianten – die Lebensdauer für Anwendungsfelder in den Bereichen Verstärkungen und Neubauteile im Innen- und Außenbereich zu prognostizieren, die materialtechnischen Anwendungs-grenzen aufzuzeigen und so für Carbonbeton den Weg in die Zukunft zu bahnen.