Einfluss lastinduzierter Temperaturfelder auf die Ermüdung von UHPC
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Einfluss lastinduzierter Temperaturfelder auf das Ermüdungsverhalten von UHPC bei Druckschwellbelastung | Influence of load-induced temperature fields on the fatigue behaviour of UHPC subjected to high frequency compression loading Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / SPP 2020 Zeitraum | Period 09/2017 – 03/2022 Leiterin | Project manager Dr.-Ing. Silke Scheerer Bearbeiter | Contributor Dipl.-Ing. Melchior Deutscher Projektpartner | Project partner Institut für Massivbau, TU Darmstadt |
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Temperatur verändert Beanspruchung
Versiegelter HPC-Zylinder während der Erwärmung für statischen Druckversuch
Mit steigender Betondruckfestigkeit können immer schlankere Bauwerke, zum Beispiel weitspannende Brücken, realisiert werden. Diese erfahren neben hohen statischen Kräften schwingungsbedingt auch eine hohe Anzahl an Lastwechseln. Neben der Druckfestigkeit wird also auch das Ermüdungsverhalten relevant. Ist im herkömmlichen Stahlbetonbau vorwiegend der Bewehrungsstahl relevant für die Ermüdungsbemessung, ändert sich dies bei steigender Betondruckfestigkeit. Ultrahochfeste Betone (UHPC) nähern sich den Stahlfestigkeiten an, wodurch sich auch das Querschnittsflächenverhältnis der beiden Verbundwerkstoffe verschiebt und die Betonermüdung maßgebender wird.
Aktuell befassen sich Froschende im Schwerpunktprogramm 2020 damit, das Ermüdungsverhalten hochfester Betone zu ergründen. Bei der Durchführung von Druckschwellversuchen zur Charakterisierung von Ermüdungsfestigkeiten von Beton traten bei höheren Belastungsfrequenzen Erwärmungen im Beton auf. Im vorliegenden Projekt wird diese Erwärmung systematisch untersucht, um maßgebende Einflussgrößen zu definieren und eine Berücksichtigung der Temperatur bei der Auswertung vornehmen zu können.
Die Experimente zeigten, dass die Erwärmung vor allem vom Spannungsspiel abhängt. Anders als die Ermüdungsfestigkeit, die stärker von der Oberspannung geprägt wird, ist hier der Einfluss der Oberspannung gleich dem der Unterspannung. Sich stark erwärmende Proben versagen außerdem früher, als die Berechnung nach fib Model Code 2010 ergibt. Untersuchungen zur einaxialen statischen Druckfestigkeit von UHPC im Bereich der gemessenen Temperatur bis 90 °C zeigten eine Reduzierung dieses Materialkennwertes um bis zu 15 %. Eine solche Reduzierung findet während der Druckschwellversuche mit steigender Temperatur kontinuierlich statt. Bei konstantem absolutem Kraftspiel verändert sich somit die bezogene Beanspruchung, was ein frühzeitiges Versagen bedingt.
Im Projekt wurde ein Ansatz erarbeitet, mit dem rechnerisch in Abhängigkeit der maximalen Temperatur sowie des Spannungsspiels die Festigkeitsreduzierung berücksichtigt werden kann. Druckschwellversuche können so auch zukünftig ohne Mehraufwand mit Frequenzen bis 20 Hz durchgeführt werden, eine eventuelle Verfälschung der Ergebnisse infolge der Erwärmung wird nachträglich berücksichtigt.
Bericht aus dem Jahrbuch 2020
Den Druck erhöhen
Untersuchung unterschiedlicher Festigkeitsklassen; links: UHPC, Mitte: HPC und rechts: Normalbeton
Die Materialforschung versucht dem Streben nach schlankeren, größeren und material-effizienteren Bauwerken und Strukturen nachzukommen. Im Massivbau wird dies durch eine Erhöhung der Druckfestigkeit realisiert. Die Schlankheit von Strukturen bedingt immer häufiger eine starke dynamische und zyklische Beanspruchung. Umfangreiche Kenntnisse zum Ermüdungsverhalten sind deswegen von hoher Bedeutung für die Verwendung von ultrahochfesten Betonen (UHPC) und Hochleistungsbetonen (HPC) in der Baupraxis. Um bisherige Wissenslücken weitreichend auszufüllen, befasst sich das Projekt SPP 2020 „Einfluss lastinduzierter Temperaturfelder auf das Ermüdungsverhalten von UHPC bei Druckschwellbelastung“ seit 2017 mit diesen Aspekten. Erkenntnisse über das Ermüdungsverhalten sowie die Generierung von Wöhler-Kurven zur Normung des Betons werden im Allgemeinen anhand von Druckschwellversuchen an Zylindern gewonnen.
Hohe Frequenzen und hohe Festigkeiten führen dabei zu einer Betonerwärmung, welche
einen Einfluss auf die erreichbaren Lastwechselzahlen haben. In dem SPP-Projekt erfolgt
eine systematische Untersuchung dieses Phänomens. Dabei ist das Ziel, die Ursachen und
Auswirkungen der Erwärmung zu identifizieren und zu quantifizieren.
Mit Beendigung des experimentellen Hauptteils des Projektes wurden die Parameter Oberspannung, Unter-spannung, Frequenz, Größtkorn sowie die Betonfestigkeit betrachtet. Die Erwärmung pro Lastwechsel wurde dabei von allen Parametern außer der Frequenz deutlich beeinflusst. Steigende Spannungsspiele erhöhen die eingebrachte Energie, ein geringerer Größtkorn führt ebenfalls zur Erhöhung durch höhere innere Reibungspotenziale sowie die Erhöhung der Betonfestigkeit, die mit einer dichteren Lagerung der Bestandteile des Betons einhergeht. Die Frequenz beeinflusst den Erwärmungsprozess über die Wieder-holung der Energieeinbringung. Je höher die Frequenz, desto mehr Wärme wird pro Zeiteinheit eingebracht während die Abkühlung über die Oberfläche nicht gleichmäßig ansteigt. Dies führt zur Erhöhung der Erwärmungsgeschwindigkeit.
Die Druckfestigkeit von hochfestem und ultrahochfestem Beton wird von der Temperatur degradierend beeinflusst. Durch die steigende Temperatur wird eine ungewollte Erhöhung der bezogenen Lastspiele erzeugt, was eine Hauptursache für das vermeintlich frühzeitige Versagen darstellt. Über die experimentelle Untersuchung der temperaturabhängigen Festigkeit soll mit dem Wissen über die Erwärmungsverläufe das Herausrechnen des Temperatureinflusses ermöglicht werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
UHPC – Erwärmung durch Ermüdung
UHPC-Zylinder für zyklische Belastung mit drei Wärmefühlern über die Probekörperhöhe verteilt
Die steigenden Anforderungen an Bauwerke erfordern leistungsfähige Materialien, die immer schlankere und trageffizientere Konstruktionen zulassen. Dies führte im Massivbau zur Entwicklung von ultrahochfesten Betonen (UHPC). Im Einsatz als Maschinen- und Windkraftanlagenfundamente erfährt der Beton vor allem immer wiederkehrende, große veränderliche Beanspruchungen. Die Planung erfordert dafür ausreichende Kenntnisse zum Ermüdungsverhalten. Den noch bestehenden Wissenslücken auf diesem Themengebiet widmet sich das Schwerpunktprogramm SPP 2020.
In bisherigen Ermüdungsuntersuchungen an Hochleistungsbetonen wurde eine Erwärmung, verursacht durch die zyklische Belastung, festgestellt. Im Teilprojekt „Lastinduzierte Temperaturfelder bei UHPC“ erfolgt eine systematische Untersuchung dieses Phänomens. Dabei ist das Ziel, die Ursachen und Auswirkungen der Erwärmung zu identifizieren und zu quantifizieren. Begleitend zu den experimentellen Untersuchungen in Dresden wird an der TU Darmstadt ein Materialmodell entwickelt, das das Schädigungsverhalten von UHPC unter zyklischer Beanspruchung beschreibt.
Gedämmter Prüfzylinder mit reduzierter Temperaturgradiente
Im Zuge der zyklischen Hauptversuche wurden bisher die Parameter Frequenz, Oberspannung und Größtkorn untersucht. Für die genannten Parameter konnte ein signifikanter Einfluss auf die Erwärmung des UHPC festgestellt werden. Bei allen durchgeführten Versuchen wurde eine Erwärmung gemessen. Die erreichten maximalen Temperaturen sowie die Verläufe waren allerdings sehr unterschiedlich. Die Lastfrequenz hat vor allem einen Einfluss auf den Maximalwert der erreichten Temperatur. Steigt die Belastungsgeschwindigkeit, werden höhere Temperaturen erreicht. Die Parameter Oberspannung und Größtkorn beeinflussen vor allem die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs. Bei steigender Oberspannung verlaufen die Temperaturkurven steiler. Gleichzeitig bedingt die Erhöhung der Oberspannung aber auch ein früheres Ermüdungsversagen, weswegen die maximale Temperatur nicht zwangsweise bei maximaler Oberspannung erreicht wird. Bei der Verwendung unterschiedlicher Korngrößen als Zuschlag wurde festgestellt, dass ähnliche Maximaltemperaturen erreicht werden, allerdings feinere Zuschläge zu einem schnelleren Anstieg der Temperatur führen. Somit hat die Korngröße über die Erwärmungsgeschwindigkeit ebenfalls einen Einfluss auf die erreichbaren Lastwechselzahlen.
Zusammen mit den weiterhin geplanten Experimenten zur Probekörpergröße und Materialfestigkeit kann das Phänomen Erwärmung umfassend beschrieben werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
UHPC unter zyklischer Beanspruchung
Druckprüfung in der Triaxialprüfmaschine des Otto-Mohr-Laboratoriums
Die Antwort auf steigende Ansprüche an Materialfestigkeit für immer größer und schlanker werdende Bauwerke heißt im Massivbau ultrahochfester Beton (UHPC). Neben der hohen statischen Beanspruchbarkeit, ist der Baustoff beispielsweise bei weitgespannten Brücken zusätzlich zyklischen Belastungen ausgesetzt, was zu einem Ermüdungsversagen führen kann. Damit wird das Ermüdungsverhalten in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen. Den noch bestehenden Wissenslücken zum Schädigungsverhalten von UHPC unter zyklischer Belastung widmet sich das DFG-Schwerpunktprogramm 2020, in welchem der Schädigungsverlauf unter verschiedenen Gesichtspunkten untersucht und numerisch beschrieben wird.
Hochgeschwindigkeitsaufnahme eines Normzylinders aus ultrahochfestem Beton während des Druckversagens
Das Teilprojekt „Lastinduzierte Temperaturfelder bei UHPC“ beschäftigt sich mit dem Phänomen der Erwärmung von UHPC unter zyklischer Beanspruchung. Diese wurde bei bisherigen Untersuchungen an Hochleistungsbetonen beobachtet und dabei als nicht vernachlässigbare Einflussgröße auf das Schädigungsverhalten erkannt. Ziel des Projekts ist es, die Ursachen und Auswirkungen der Erwärmung systematisch zu untersuchen und zu quantifizieren. In einem weiteren Schritt soll anhand der Ergebnisse ein Materialmodell an der TU Darmstadt entwickelt werden, welches das Schädigungsverhalten von UHPC unter hochfrequenter Druckbeanspruchung beschreibt.
Im ersten Arbeitspaket wurden die gewählten zwei Hochleistungsbetone umfangreich auf ihre statischen Grundwerte wie Zug- und Druckfestigkeit, Steifigkeit, mehraxiales Materialverhalten etc. geprüft. Damit wurde eine Grundlage zur Beschreibung eines statischen Materialmodells gelegt, welches im weiteren Verlauf bezüglich des Ermüdungsverhaltens ergänzt wird. Anhand einer zusätzlichen Prüfserie wurde die Festigkeitsentwicklung ermittelt, an der das Betonalter für die Ermüdungsversuche auf mindestens 90 Tage festgelegt wurde. Danach waren bei Druckfestigkeiten von etwa 180 N/mm² keine Festigkeitssteigerungen mehr erkennbar und es können zyklische Belastungen über mehrere Tage aufgebracht werden.
Abschließend wurden im ersten Arbeitspaket Tastversuche durchgeführt, bei denen die gewählten Messmethoden sowie Versuchskonfigurationen getestet wurden. Dabei konnte mit Temperaturfühlern im und auf der Oberfläche des Probekörpers eine signifikante Erwärmung von bis zu 35 K gemessen werden. Im nächsten Schritt stehen die Hauptversuche an, in welchen die Einflussgrößen Oberspannung, Belastungsgeschwindigkeit, Größtkorn und Probekörpergröße untersucht werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
Lastinduzierte Erwärmung von UHPC
Prüfzylinder für zyklische Belastung mit drei Wärmefühlern über die Probekörperhöhe verteilt
Die aktuellen Entwicklungen im Bauwesen orientieren sich an den Grundsätzen der ressourcenschonenden und filigranen Bauweise. Die erforderliche Steigerung der Materialeffizienz wird im Massivbau durch die Entwicklung von Hochleistungsbetonen erreicht. Durch die Reduzierung von Eigengewicht durch optimierten Materialeinsatz wird allerdings eine Schwingungsanfälligkeit bedingt. Maßgebend wird dies vor allem im Bereich der zyklisch beanspruchten Bauwerke wie Windkraftanlagen oder weitgespannten Brücken, die sehr hohen Lastwechselzahlen ausgesetzt sind. Für den optimalen Einsatz der Hochleistungsbetone ist daher die Kenntnis des Ermüdungsverhaltens erforderlich. Dieser Thematik widmet sich das DFG-Schwerpunktprogramm SPP 2020, in dem die Materialdegradation experimentell untersucht und numerisch beschrieben werden soll.
In unserem Teilprojekt „Lastinduzierte Temperaturfelder bei UHPC“ soll ein Beitrag zur Untersuchung des Schädigungsverlaufes von ultrahochfestem Beton (UHPC) geleistet werden. In bisherigen Untersuchungen an Hochleistungsbetonen unter hochfrequenter Druckbeanspruchung wurde eine Betonerwärmung festgestellt, allerdings in sehr unterschiedlichem Ausmaß. These ist, dass diese induzierten Temperaturfelder einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit haben. Das stark verdichtete Materialgefüge eines UHPC weist ein großes inneres Reibungspotential auf, was als wahrscheinliche Ursache für den Temperaturanstieg vermutet wird. Bisherige Erkenntnisse lassen vor allem das verwendete Größtkorn sowie die Frequenz und das Lastspiel der zyklischen Belastung als Haupteinflüsse auf den Temperaturanstieg erkennen.
Eine systematische Untersuchung der Parameter hinsichtlich der Höhe und der Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs sowie deren Einfluss auf die Ermüdungs-festigkeit stehen noch aus und sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durch-geführt werden. Dafür wurde unter Beachtung des Wissensstandes ein umfangreiches Prüfprogramm aufgestellt. Variiert werden dabei die Festigkeit des Betons, das Größtkorn, die Probengröße, Oberspannungen und Belastungsfrequenzen sowie das Betonalter. Ziel der Untersuchungen ist die Beschreibung der Temperaturentwicklung in Abhängigkeit der genannten Parameter sowie von deren Einfluss auf die Verformungen, die Rissbildung und das Betongefüge während des Ermüdungsprozesses. Die Erkenntnisse dienen dem Projektpartner an der TU Darmstadt im Weiteren zur Entwicklung eines Materialmodells, welches das Ermüdungsverhalten von UHPC bei hochfrequenter Druckbeanspruchung beschreibt.