Rissbreitenentwicklung und lokale Verbundbeziehungen bei Langzeitbelastung
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Untersuchung der Rissbreitenentwicklung von Stahlbeton unter Langzeitbelastung anhand lokaler Verbundbeziehungen | Investigations of the crack width development of reinforced concrete under long-term loading based on local bond relationships Förderer | Funding Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) / KEK Zeitraum | Period 03/2020 – 02/2023 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Team | Team Dipl.-Ing. Marc Koschemann Rainer Belger, Tino Jänke, Heiko Wachtel, Martin Findeisen, Doreen Sonntag, Philipp Göbel (Probenherstellung, Messtechnik, Versuchsdurchführung | Sample preparation, measurement technology, test execution) |
Gefördert durch: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 1501601.
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Verbundkriechen
Berechnete Rissentwicklung während des Ausziehvorgangs
So lange mit dem Verbundwerkstoff Stahlbeton gebaut wird, wird daran geforscht, das Zusammenspiel zwischen Bewehrungsstahl und Beton möglichst genau zu beschreiben. Denn das Verbundverhalten beider Werkstoffe bestimmt maßgeblich Rissabstände und Rissbreiten und folglich auch das Last-Verformungs-Verhalten und die Dauerhaftigkeit von Bauteilen. Ein allgemeines Verbundgesetz wäre quasi der „Heilige Grahl“ des Stahlbetons. Auf der bisherigen Suche danach konnte man allerdings nur auf Messdaten zurückgreifen, welche in Versuchen außerhalb des Verbundbereichs erfasst wurden.
Im Rahmen unserer Untersuchungen wurden faseroptische Sensoren auf Bewehrungsstäbe appliziert, um örtliche und zeitliche Veränderungen der Dehnungsverteilung innerhalb des Verbundbereichs aufzuzeichnen. Anhand dieser Daten wurden die Beteiligung einzelner Stabrippen sowie der Schädigungsgrad des Betons für verschiedene Belastungszustände abgeleitet. Weitergehend wurden ortsabhängige lokale Verbundbeziehungen bestimmt, um allgemeine Gesetzmäßigkeiten des Verbundes zu formulieren. Für die experimentellen Versuche wurden drei Betone mit Festigkeiten zwischen 30 und 70 MPa sowie Ausziehproben und Balkenendkörper verwendet. Als weiterer Untersuchungsparameter wurde die Verbundlänge in den Versuchen zwischen 16 und 160 mm variiert.
Neben den statischen Versuchen wurden Probekörper einer Langzeitbelastung ausgesetzt, um das Phänomen des Verbundkriechens zu untersuchen. Dafür wurde eine Last von 66 % der statischen Verbundfestigkeit für eine Dauer von 1.000 bis 3.000 h aufgebracht. Infolgedessen wurde in bisherigen Versuchen gegenüber dem Belastungsbeginn ein Verformungszuwachs um den Faktor 2,5 bis 3,5 festgestellt. Mit Ausziehproben wurden dabei etwa doppelt so große Schlupfwerte erfasst wie bei gleich belasteten Balkenendkörpern. Ergänzend zu diesen Versuchen wurde das Risswachstum unter Langzeitbelastung mit Dehnkörpern von 960 mm Länge untersucht. Abhängig vom Querschnitt stellten sich fünf bzw. acht Risse mit einer durchschnittlichen Rissbreite von 0,20 mm ein, welche sich mit zunehmender Belastungsdauer um etwa 25 % vergrößerten.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Die Suche nach dem Heiligen Grahl
Verbundzone mit faseroptischem Sensor nach Versagen
Solange mit dem Verbundwerkstoff Stahlbeton gebaut wird, wird daran geforscht, das Zusammenspiel zwischen Bewehrungsstahl und Beton möglichst genau zu beschreiben. Denn das Verbundverhalten beider Werkstoffe bestimmt maßgeblich Rissabstände und Rissbreiten und folglich auch das Last-Verformungs-Verhalten und die Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauteilen. Ein allgemeines Verbundgesetz wäre quasi der „Heilige Grahl“ des Stahlbetons. Auf der bisherigen Suche danach konnte man allerdings nur auf Messdaten zurückgreifen, welche in Versuchen außerhalb des Verbundbereichs erfasst wurden.
In gegenwärtigen Untersuchungen werden faseroptische Sensoren auf Bewehrungsstäbe appliziert, um örtliche und zeitliche Veränderungen der Dehnungsverteilung innerhalb des Verbundbereichs aufzuzeichnen. Anhand dieser Daten werden die Beteiligung einzelner Stabrippen sowie der Schädigungsgrad des Betons für verschiedene Belastungszustände abgeleitet. Weitergehend werden ortsabhängige lokale Verbundbeziehungen bestimmt, um allgemeine Gesetzmäßigkeiten des Verbundes zu formulieren.
Für die Experimente werden drei Betone mit Festigkeiten zwischen 30 und 70 MPa sowie Ausziehproben und Balkenendkörper verwendet. Weiterer Untersuchungsparameter ist die Verbundlänge, welche in den Versuchen zwischen 16 und 160 mm variiert wird.
Neben den statischen Versuchen werden Probekörper einer Langzeitbelastung ausgesetzt, um das Phänomen des Verbundkriechens zu untersuchen. Dafür wird eine Last von 66 % der statischen Verbundfestigkeit für eine Dauer von 1.000 bis 3.000 h aufgebracht. Infolgedessen wurde in bisherigen Versuchen gegenüber dem Belastungsbeginn ein Verformungszuwachs um einen von Faktor 2,5 bis 3,5 festgestellt. Mit Ausziehproben wurden dabei etwa doppelt so große Schlupfwerte erfasst als bei gleich belasteten Balkenendkörpern. Ergänzend zu diesen Versuchen wird das Risswachstum unter Langzeitbelastung mit Dehnkörpern von 960 mm Länge untersucht. Abhängig vom Querschnitt stellten sich 5 bzw. 8 Risse mit einer durchschnittlichen Rissbreite von 0,20 mm ein, welche sich mit zunehmender Belastungsdauer um etwa 25 % vergrößerten.
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Langsam aber stetig
Ausziehkörper unter Dauerbelastung
Zur wirtschaftlichen Nutzung von Stahlbetonbauteilen bedarf es Risse im Beton. Erst dadurch beteiligt sich die Bewehrung über die Verbundwirkung effektiv am Lastabtrag. Allerdings stellen Risse auch Schwachstellen von Stahlbetonbauten dar und können ursächlich für Undichtigkeiten und Bewehrungskorrosion sein und somit zur Zustandsverschlechterung führen. Immer häufiger werden Bauwerke, wie Zwischenlager der Kerntechnik, länger genutzt als ursprünglich geplant. Entsprechend lange Belastungsdauern bewirken die Zunahme der Rissbreiten, was vor allem auf Kriecheffekte in den Verbundbereichen zurückzuführen ist. Bisherige Erkenntnisse zu diesem Verhalten beruhen auf Messdaten, welche in Versuchen außerhalb des Verbundbereichs erfasst wurden.
Gegenwärtige Untersuchungen befassen sich mit dem Verbundverhalten und der Verbundspannungsverteilung von Bewehrungsstahl in normalfesten Beton unter Langzeitbelastung. Dafür werden drei Betone mit Festigkeiten zwischen 30 MPa und 70 MPa sowie Ausziehproben und Balkenendkörper verwendet. Weiterer Untersuchungsparameter ist die Verbundlänge, welche in den Versuchen zwischen 16 mm und 160 mm variiert wird. Neben Wegaufnehmern wird das Verbundverhalten durch haarfeine, faseroptische Sensoren messtechnisch erfasst. Appliziert auf den Ausziehstab, werden damit örtliche und zeitliche Veränderungen der Dehnungsverteilung innerhalb der Verbundzone während der Versuche aufgezeichnet. Bei statischen Versuchen wurde so die Beteilung der einzelnen Rippen für verschiedene Belastungszustände sowie die lokale Schädigung des Betons ermittelt.
Für die Kriechversuche wurden weitere Proben einer Dauerlast von 66 % der statischen Verbundfestigkeit ausgesetzt. Nach einer Dauer von 1.000 h wurde gegenüber dem Belastungsbeginn ein Schlupfzuwachs von Faktor 2,5 bis 3,5 festgestellt. Dabei wurden mit Ausziehkörpern etwa doppelt so große Schlupfwerte erfasst als bei gleich belasteten Balkenendversuchen. Ergänzend zu den Verbundversuchen wird mittels Dehnkörpern von 960 mm Länge das Risswachstum unter Langzeitbelastung untersucht. Abhängig von der Betondeckung stellten sich 5 bzw. 8 Risse mit einer durchschnittlichen Rissbreite von 0,20 mm ein, welche sich mit zunehmender Belastungsdauer um etwa 25 % vergrößerten.
Bericht aus dem Jahrbuch 2020
Sesam, öffne dich
Verbundzone mit Sensorfaser nach Versagen
Risse gehören zum Baustoff Stahlbeton und sind unerlässlich für dessen Tragwirkung. Jedoch sind diese auch Schwachstellen von Stahlbetonbauteilen und können ursächlich für Undichtigkeiten und Bewehrungskorrosion sein und somit zur Verschlechterung der Dauerhaftigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit führen. Wie beispielsweise Zwischenlager für radioaktive Brennelemente, werden Gebäude häufig länger genutzt als planmäßig vorgesehen. Daraus ergibt sich die Fragestellung, wie sich Langzeitbelastungen auf die Rissbreiten von Stahlbeton auswirken. Maßgeblichen Einfluss auf das Rissverhalten hat die Verbundwirkung zwischen Betonstahl und Beton. Folglich ist eine genaue Kenntnis des Verbundes zwischen Beton und Bewehrungsstab einschließlich der örtlichen und zeitlichen Verteilung für die Bewertung und Bemessung von baulichen Strukturen erforderlich.
Gegenwärtige Untersuchungen am Institut für Massivbau befassen sich mit dem Verbundverhalten und der Verbundspannungsverteilung von Bewehrungsstahl in normalfesten Betonen unter Langzeitbelastung. Für drei verschiedene Probekörpertypen und unterschiedliche Verbundlängen wird dafür zunächst die jeweilige statische Verbundtragfähigkeit experimentell ermittelt. Anschließend werden weitere Proben mit bis zu 70 % der statischen Referenzlast bis zu 10.000 Stunden belastet. Die messtechnische Erfassung des Verbundverhaltens erfolgt klassisch durch Wegaufnehmer und durch faseroptische Sensoren. Diese haarfeinen Sensoren werden an den Ausziehstäben appliziert und ermöglichen die quasi-kontinuierliche Erfassung von Dehnungen innerhalb der Verbundzone während der Versuche. Dabei hat der Applikationsort auf dem Bewehrungsstab einen wesentlichen Einfluss. In Vorversuchen wurden die Sensoren mithilfe von Nuten an unterschiedliche Positionen am Stab geklebt, um Dehnungsunterschiede innerhalb des Bewehrungsquerschnitts zu identifizieren. Die feine örtliche Auflösung von 0,65 mm je Messwert erlaubt den Einblick in die lokale Kraftübertragung von Bewehrung auf Beton und die Darstellung von Spannungsverläufen für beliebige Belastungszustände. Infolge der Schädigung des Betons bei Laststeigerung sowie durch Kriechen unter Dauerlast verändert sich die Verteilung der Verbundkräfte innerhalb der Verbundzone, was wiederum mit steigenden Verformungen und wachsenden Rissbreiten einhergeht. Mithilfe der lokalen Verbundbeziehungen soll die Berechnung von Rissbreiten für eine beliebige Verbundlänge und Belastungsdauer ermöglicht werden.