Beton unter stoßartiger Belastung

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektdaten
      2. Bericht aus dem Jahrbuch 2011
      3. Bericht aus dem Jahrbuch 2010
      4. Bericht aus dem Jahrbuch 2009

Projektdaten

Titel | Title Beton unter stoßartiger Belastung | Concrete under impact loading Förderer | Funding Institut für Massivbau, TU Dresden Zeitraum | Period 08/2009 – 12/2011 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiterinnen | Contributors Dipl.-Ing. Anja Hummeltenberg, Dipl.-Ing. Birgit Beckmann

Bericht aus dem Jahrbuch 2011

Stahlbetonplatten unter Impakt

Das mechanische Verhalten von Betonbauteilen ist stark von der Belastungsgeschwindigkeit abhängig. Eine kurzzeitige, schlagartige Belastung, z. B. durch Fahrzeuganprall oder Steinschlag, wirkt sich deutlich anders aus als eine ruhende, statische Belastung. Um dies näher zu erforschen, wurden 15 Stahlbetonplatten aus Normalbeton C20/25, HPC und UHPC ohne bzw. mit einer nachträglich angebrachten Verstärkungsschicht aus Textilbeton in einer Fallturmanlage untersucht. Die Versuche waren intensiv instrumentiert, um sowohl Effekte des lokalen als auch des globalen Plattentragverhaltens erfassen zu können.

Zunächst war vor allem der reine Impaktwiderstand bzw. ein möglicher Schutzeffekt von Inter­esse: „Hält die Platte dem Impakt stand, oder wird sie vom Impaktor vollständig durchstanzt?“ Es stellte sich heraus, dass die Normalbeton- und Hochleistungsbetonplatten dem Impakt nicht standhielten und dass das unabhängig von der untersuchten Fallhöhe und damit der Auftreffgeschwindigkeit des Fallgewichts ist. Demgegenüber hielten die textilverstärkten Betonplatten und die Platten aus UHPC der Impaktbeanspruchung stand; sie wurden zwar lokal beschädigt, aber nicht vollständig vom Impaktor perforiert. Daher stellt der Einsatz einer textilen Verstärkungsschicht und/oder von Ultrahochleistungsbeton eine wirksame Schutzmaßnahme dar und ist beispielsweise für eine Anwendung bei Steinschlaggalerien geeignet.

In der aktuellen Studie stand die Analyse der durch den Impakt hervorgerufenen Dehnungen und Dehnraten im Fokus. Dabei wurden die Dehnungen des Betons an der Plattenoberseite in unterschiedlichen Abständen zum Impaktzentrum sowie die Dehnungen des Bewehrungsstahls an der Plattenunterseite ausgewertet. Die Messergebnisse zeigen die zeitliche Veränderung und räumliche Ausbreitung der impaktinduzierten Störung. Der Übergang vom lokalen zum globalen Plattentragverhalten wird sichtbar und zeigt bei den bügelbewehrten Platten ein anderes Verhalten als bei allen anderen Platten. Bei der Bewehrungsstahldehnung der textilverstärkten Platten ist eine lokale, begrenzte Delamination der Verstärkungsschicht zu erkennen.

Zwischen Platten aus unterschiedlichen Beton­sorten unterscheiden sich die gemessenen Dehnungen und Dehnraten kaum. Auch die textil­verstärkten Platten weisen keine nennenswert anderen Dehnungen auf als die unverstärkten Platten. Hier zeigt sich, dass die lokalen Zugdehnungsspitzen zu einem Zeitpunkt auftreten, an dem die Frage noch nicht entschieden ist, ob die Platte dem Impakt standhält oder nicht.

Bericht aus dem Jahrbuch 2010

Wie verhalten sich Betonplatten unter Steinschlag?

Das Verhalten von Materialien und Bauteilen unter Stoßbeanspruchungen unterscheidet sich von der normalerweise betrachteten statischen Belastung. In diesem Forschungsprojekt werden dabei solche Impaktbeanspruchungen betrachtet, wie sie beispielsweise durch Fahrzeuganprall oder Steinschlag hervorgerufen werden können.

Am Institut für Massivbau werden daher Impaktexperimente durchgeführt, bei denen in der Fallturmanlage des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden ein Fallgewicht oder Impaktor mit verschiedenen Geschwindigkeiten von bis zu 47 km/h auf unterschiedlich bewehrte Betonplatten fallen gelassen werden. Neben der Auswertung der umfangreichen Messdaten geht es in diesem Forschungsprojekt auch um die qualitative Beurteilung, inwieweit Betonplatten der Impaktbeanspruchung standhalten und einen Schutz vor beispielsweise Steinschlag bieten können. Zwei der getesteten Platten wurden nach den Versuchen mittig durchgesägt, um einen Einblick in das Innere der beanspruchten Betonplatten zu erhalten. Anhand der unterschiedlichen Stanzkegel wurden Unterschiede im Materialverhalten sichtbar.

Welche Ergebnisse haben wir beobachtet? Die Versuchsergebnisse zeigten, dass unabhängig von den getesteten Aufprallgeschwindigkeiten alle Platten aus Normalbeton C20/25 vollständig vom Impaktor durchstanzt werden. Auch solche Normalbetonplatten, deren Schubtragfähigkeit im Bereich des erwarteten Stanzkegels mit einer zusätzlichen Bügelbewehrung erhöht wurde, wurden vom Impaktor durchstoßen. Die Bügel beeinflussen zwar die Gestalt des Stanzkegels, können aber eine Perforation der Platte nicht verhindern. Selbst Platten aus hochfestem Beton C70/85 konnten dieser Stoßbeanspruchung nicht standhalten. Sie zeigten zwar im Vergleich zu den Normalbetonplatten ein anderes Bruchbild, aber auch sie wurden vollständig durchstanzt.

Ein gänzlich anderes Verhalten hingegen zeigten Platten, die nachträglich mit einem Stahl- beziehungsweise Carbon-Textil verstärkt worden waren. Diese Platten wurden nur beschädigt, aber nicht vollständig durchstanzt. Das eingelegte Textil wirkt wie eine Membran, die ein weiteres Eindringen des Impaktors stoppt und ein vollständiges Durchstanzen der Betonplatte verhindert. Wird eine solche textilverstärkte Platte beispielsweise in einer Steinschlaggalerie eingesetzt, so ist der unter der Platte befindliche Bereich vor der Anpralllast geschützt.

Bericht aus dem Jahrbuch 2009

Beton unter stoßartiger Belastung

Betonstrukturen können außergewöhnlichen Belastungen wie zum Beispiel einem Fahrzeuganprall an eine Hauswand ausgesetzt sein. Solche dynamischen Stoßbelastungen können ausgehend von einer lokalen Schädigung zu einem Gesamtversagen der Betonstruktur führen. Dynamische Belastung verursacht hohe Dehngeschwindigkeiten, unter denen Trägheitseffekte und veränderte Materialeigenschaften auftreten. Die im Beton wirkenden Kräfte unterliegen einer starken zeitlichen und räumlichen Abhängigkeit. Dies macht die Bewertung von dynamischen im Vergleich zu statischen Lastfällen schwierig.

Ziel des Projektes ist es, Betone unterschiedlicher Festigkeit bezüglich ihrer Reaktion auf solche dynamischen Lastfälle zu untersuchen. Darüber hinaus sollen Möglichkeiten einer nachträglichen Verstärkung von vorhandenen Beton­strukturen bewertet werden können. Dabei ist von besonderem Interesse, sowohl das lokale Reaktionsverhalten an der Stelle, an der die Stoßbeanspruchung auftrifft, als auch die globale Reaktion im Tragverhalten des gesamten Versuchskörpers zu untersuchen.

Dafür wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden in einem Fallturm Impact-Versuche an Betonplatten durchgeführt. Dabei wurden Platten in der Abmessung 1 m x 1 m aus Normalbeton (C20/25), hochfestem Beton (HPC) und ultrahochfestem Beton (UHPC) untersucht. Zusätzlich wurde ein Teil der Platten durch Carbon­faser- bzw. Stahlfasergelegeschichten verstärkt. In den Versuchen wurden sowohl das Fallgewicht als auch die Fallhöhe variiert. Beispielsweise wurde in einem Versuch ein circa 180 kg schwerer Stoßkörper mit Geschwindigkeiten von bis zu 47 km/h auf die Betonplatte fallen gelassen.

Die Messungen umfassten Materialdehnungen, Kräfte an den Auflagepunkten, Beschleunigung des Fallgewichts und unter anderem die Durchbiegung der Platten über photogrammetrische Messungen.

Für eine photogrammetrische Messung wird der gesamte Stoßvorgang durch Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet. Später werden die Änderungen zwischen den einzelnen Messbildern ausgewertet, um die Verformungen des Probekörpers zu bestimmen. Die Probe erhält dafür ein charakteristisches und zufälliges Schwarz-Weiß-Muster auf der Oberfläche.