Verbund unter Zugschwellbeanspruchung
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Verbundermüdung von Stahlbeton
Rissbildung in der Verbundzone
Durch den Ausbau der Windenergie in Deutschland ist in den letzten Jahrzehnten der Bau von zyklisch beanspruchten Windkrafttürmen stetig vorangetrieben worden. Für solche Tragstrukturen ist die zutreffende Bestimmung des Ermüdungswiderstandes entscheidend für die Standsicherheit aber auch für einen wirtschaftlichen Materialeinsatz. Diesem Themengebiet widmete sich das Verbundforschungsvorhabens WinConFat. Ergänzend zu Untersuchungen von Beton und Bewehrungsstahl durch Projektpartner, beschäftigte sich das Institut für Massivbau mit dem Verbundverhalten beider Baustoffe im hochzyklischen Ermüdungsbereich (N > 2 · 106).
Experimentell wurden 67 quasi-statische und 56 zyklische Auszieh- und Balkenendversuche durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren ein Normalbeton und zwei hochfeste Betone sowie Bewehrungsstäbe mit
16 mm Durchmesser. Trotz einer Verbundlänge von nur 32 mm, mussten bei der statischen Prüfung zu 100 kN aufgebracht werden, um ein Verbundversagen zu erreichen. Die Ergebnisse der statischen Referenzversuche ergaben einen linearen Zusammenhang zwischen Verbundfestigkeit und Betondruckfestigkeit. Dabei wurden für Ausziehkörper etwa 15 % größere Ausziehkräfte erreicht, als für Balkenendkörper, welche aufgrund geringerer Betondeckung eine deutliche Rissbildung aufwiesen.
Die Verbundermüdungsversuche wurden mit einer gleichmäßigen sinusförmigen Zugschwellbelastung und einem Unterlastniveau von 40 % und wechselnden Oberlastniveaus zwischen 75 % und 80 % der jeweiligen Referenzfestigkeit beaufschlagt. Für eine Regelprüffrequenz von 5 Hz streuen die erreichten Lastwechselzahlen aller Versuche im Bereich zwischen 103 und 107, wodurch sich eine sehr flach verlaufende Wöhlerlinie ergibt. Mit Erhöhung der Belastungsfrequenz auf 10 Hz bzw. 20 Hz ergaben die Versuche etwas größere Lastwechselzahlen. Als Durchläufer gewertete Proben wurden nach der Zugschwellbeanspruchung einer Restfestigkeitsprüfung unterzogen, wobei gegenüber dem statischen Bezugswert leicht erhöhte Verbundfestigkeiten festgestellt wurden.
Als Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen ist festzustellen, dass ein Ermüdungsversagen des Verbundes für hochfeste Betone (fcm ≥ 90 N/mm²) unter baupraktischer Sicht quasi ausgeschlossen werden kann.
Bericht aus dem Jahrbuch 2020
Immer wach bleiben
Verbundbereich nach Versagen
Nur ein wacher Geist kann tätig sein und ein Werkstoff ist dann dauerhaft nutzbar, wenn
dieser nicht ermüdet. Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens WinConFat wird die Materialermüdung von Stahl- und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung erforscht. Vor allem durch die verstärkte Nutzung der Windenergie geht der Wunsch nach größeren, effizienteren und langlebigen Anlagen einher.
Ergänzend zu Untersuchungen von Beton und Bewehrungsstahl durch Projektpartner, wie der Leibniz Universität Hannover, der RWTH Aachen und weiterer, beschäftigt sich das Institut für Massivbau mit dem Verbundverhalten beider Baustoffe im hochzyklischen Ermüdungsbereich (N > 2·106). Im Zuge der bisherigen Untersuchungen wurden 67 quasi-statische und 45 zyklische Auszieh- und Balkenendversuche durchgeführt. Dafür wurden zwei hochfeste Betone und ein Normalbeton sowie Bewehrungsstäbe mit 16 mm Durchmesser verwendet. Obwohl die Verbundlänge nur das Zweifache des Stabdurch-messers ds beträgt, mussten bei der statischen Prüfung Zugkräfte von bis zu 100 kN aufgebracht werden, um ein Verbundversagen zu erreichen. Für beide hochfesten Betone mit den Druckfestigkeitsklassen C80 und C120 wurden bei Ausziehversuchen im Mittel ca. 15 % größere Auszugskräfte erreicht als bei Balkenendversuchen. Entscheidend dabei war die große Betondeckung beim Auszugversuch, welche eine stärkere Umschnürung durch den umliegenden Beton bewirkt hat.
Die Verbundermüdungsversuche wurden mit einer gleichmäßigen sinusförmigen Zugschwellbelastung beansprucht. Die Vielzahl der Versuche wurde mit einer Belastungsfrequenz von 5 Hz durchgeführt. Zudem wurden Proben mit der doppelten und vierfachen Frequenz zyklisch beansprucht. Das Unterlastniveau betrug 40 % der statischen Verbundfestigkeit und die Oberlastniveaus wurden versuchsweise zwischen 75 und 80 % variiert. Die bisherigen Versuchsergebnisse weisen darauf hin, dass die Oberlast einen wesentlichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Verbundes hat. Bei Versuchen mit einem Oberlastniveau von 78 % und höher trat ein Verbundversagen in der Regel bei 10.000 bis 200.000 Lastwechseln ein. Bei geringeren Oberlastniveaus konnten zumeist Lastwechselzahlen von mehr als 2 Millionen und bis zu 20 Millionen ohne Versagen erreicht werden.
Die Erkenntnisse aus dem Projekt sollen zur Entwicklung zutreffender Materialmodelle und zur Bestimmung der Lebensdauer von Stahlbetonbauwerken in Bezug auf Verbundermüdung im hochzyklischen Bereich beitragen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
SCHWINGEN FÜR DIE EWIGKEIT
Balkenendversuch mit Spaltriss
Das Verbundforschungsvorhaben WinConFat hat zum Ziel, die Materialermüdung von Windenergieanlagen aus Stahl- und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung zu erforschen. Denn mit der verstärkten Nutzung der Windenergie geht der Wunsch nach größeren, effizienteren und langlebigen Anlagen einher. Neben Untersuchungen von Beton und Bewehrungsstahl durch Verbundpartner beschäftigt sich das Institut für Massivbau mit dem grundsätzlichen Verbundverhalten beider Baustoffe im hochzyklischen Ermüdungsbereich (N > 2·106).
Bisher wurden 34 quasi-statische und 29 zyklische Auszieh- und Balkenendversuche durchgeführt. Dabei wurden zwei hochfeste Betone sowie Bewehrungsstahl mit 16 mm verwendet, wobei die Verbundlänge das Zweifache des Stabdurchmessers ds beträgt. Im Vergleich der beiden Probekörpertypen zeigt sich, dass für den Beton C120 bei den quasistatischen Ausziehversuchen im Mittel ca. 15 % größere Auszugskräfte erreicht werden als bei den Balkenendversuchen. Grund dafür ist die stärkere Umschnürungswirkung des umliegenden Betons infolge der großen Betondeckung beim Auszugversuch.
Verbundzone nach Versagen
Bei den zyklischen Versuchen werden die Proben mit einer gleichmäßigen sinusförmigen Zugschwellbelastung von 5 Hz beansprucht. Das Unterlastniveau beträgt 40 % der statischen Verbundfestigkeit und die Oberlastniveaus werden versuchsweise zwischen 75 und 80 % variiert. Die bisherigen Versuchsergebnisse zeigen, dass die Oberlast einen wesentlichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Verbundes hat. Bei Versuchen mit einem Oberlastniveau bis zu 77 % konnten in der Regel Lastwechselzahlen von mehr als 2 Millionen und bis zu 20 Millionen ohne Versagen erreicht werden. Bei höheren Oberlastniveaus trat das Versagen zumeist bei 10.000 bis 200.000 Lastwechseln ein. Der nichtlineare Verformungszuwachs im Versagensfall wird durch Schlupf-Lastwechsel-Beziehungen erfasst. Neben der Dokumentation der Schädigungsfortschritte mittels Schlupfmessung wird die Rissentwicklung an der Betonoberfläche messtechnisch erfasst. Im weiteren Projektverlauf sind Untersuchungen eines Normalbetons C40 und zyklische Versuche mit Belastungsfrequenzen von 10 und 20 Hz vorgesehen. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sollen eine zutreffende Bestimmung der Lebensdauer, hinsichtlich der Verbundermüdung im hochzyklischen Bereich, ermöglichen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
VERBUNDERMÜDUNG VON STAHLBETON
Messtechnische Erfassung während eines zyklischen Versuchs
Mit dem Ausbau der Windenergie geht der Wunsch nach größeren, effizienteren und langlebigen Anlagen einher. Um dies zu ermöglichen, ist eine genaue Kenntnis über das Materialverhalten bei hochzyklischer Beanspruchung erforderlich, denn Windenergieanlagen werden innerhalb ihrer Betriebszeit mit bis zu N = 109 Lastwechseln beansprucht.
Das laufende Verbundforschungsvorhaben WinConFat hat daher zum Ziel, die Materialermüdung von Windenergieanlagen aus Stahl- und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung zu erforschen. Neben Untersuchungen von Beton und Bewehrungsstahl durch Verbundpartner beschäftigt sich das Institut für Massivbau mit dem grundsätzlichen Verbundverhalten beider Baustoffe im hochzyklischen Ermüdungsbereich (N > 2·106).
Rissbild im Verbundbereich
Dafür wurden bisher 20 quasi-statische und 16 zyklische Versuche an Beam-End-Probekörpern durchgeführt. Bei den Tests wird ein hochfester Beton C120 untersucht, wobei die Verbundlänge das Zweifache des Stabdurchmessers beträgt.
In Abhängigkeit der statischen Auszugskraft (ca. 70 kN) werden bei den zyklischen Versuchen eine sinusförmige Zugschwellbelastung mit einem Unterlastniveau von 40 % und Oberlastniveaus von 75 bis 80 % aufgebracht. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits kleine Änderungen der Oberlast erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer der Versuche haben. So konnten die Proben bei einem Oberlastniveau von 77 % 10 Millionen Lastwechseln ohne Versagen standhalten, wohingegen bei 80 % als Oberlast bereits nach einem 20stel der Beanspruchung ein Auszugversagen eintrat. Anhand der aufgezeichneten Schlupf-Lastwechsel-Beziehungen wird der Schädigungsfortschritt dokumentiert und der nichtlineare Verformungszuwachs im Versagensfall aufgezeigt.
Zudem wird die Rissentwicklung an der Betonoberfläche mittels induktiven Wegaufnehmern erfasst. Neben der messtechnischen Erfassung dienen die Dokumentation der Rissbilder und die genaue Betrachtung des geschädigten Verbundbereiches dem besseren Verständnis des Versagensprozesses.
Das Versuchsprogramm sieht im weiteren Verlauf des Projektes Versuche an Pull-out-
Probekörpern sowie die Untersuchung von drei weiteren Betonen vor. Als Ergebnis soll die Beurteilung der Lebensdauer hinsichtlich der Verbundermüdung im hochzyklischen Bereich ermöglicht werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
VERBUND BEI HOHEN LASTWECHSELZAHLEN
Versuchsstand mit zwei Probekörpern
Mit der fortschreitenden Erforschung und Weiterentwicklung von Hochleistungsbetonen erschließen sich diesem Baustoff zunehmend neue Einsatzfelder im Ingenieur- und Hochbau. Dadurch ergeben sich natürlich auch neue Fragestellungen. Dabei gilt es zum Beispiel auch, die Gebrauchs- und Tragfähigkeit nicht nur unter vorwiegend ruhenden Einwirkungen zu bewerten, sondern auch eine sichere Vorhersage für eine zyklische Beanspruchung mit sehr großen Lastwechselzahlen geben zu können. Beispielhaft dafür stehen Windenergieanlagen, welche in ihrer Betriebszeit mit bis zu N = 109 Lastwechseln beansprucht werden.
Das aktuelle Verbundforschungsvorhaben WinConFat setzt sich zum Ziel, die Materialermüdung von Windenergieanlagen aus Stahl- und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung zu erforschen. Neben Untersuchungen von Beton und Bewehrungsstahl durch Verbundpartner beschäftigen sich die am Institut für Massivbau zu bearbeitenden Teilvorhaben mit dem grundsätzlichen Verbundverhalten beider Baustoffe im hochzyklischen Ermüdungsbereich (N > 2·106) sowie dem Einfluss von Betonfestigkeit und Belastungsfrequenz und -geschwindigkeit auf den Verbund.Dafür ist geplant, an vier normal- bis ultrahochfesten Betonen ca. 110 statische und zyklische Versuche an zwei Probekörpertypen durchzuführen. Dies sind der für Verbundversuche bekannte Ausziehkörper nach RILEM sowie der Beam-End-Test, welcher bisher vermehrt im angloamerikanischen Raum Verwendung fand. Die Belastung wird in Abhängigkeit von der statischen Verbundfestigkeit als Zugschwellbeanspruchung im Frequenzbereich von 5 bis 20 Hz aufgebracht. Dabei soll die Frage geklärt werden, wie Ergebnisse aus hochfrequenten Laborversuchen auf die reale Beanspruchung von Windenergieanlagen übertragen werden können.
Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Versuchsstand entwickelt, welcher die gleichzeitige Prüfung von zwei Proben ermöglicht. Je Betonage werden in der Regel vier Probekörper hergestellt, wobei zwei als statische Referenz und zwei für die zyklischen Versuche vorgesehen sind. Unter Verwendung der aufgezeichneten Verbundspannungs-Schlupf- sowie Schlupf-Lastwechsel-Beziehungen soll der Schädi-gungsfortschritt im Verbundbereich erkannt und sichtbar gemacht werden. Durch Verwendung eines definierten Unterspannungs- und verschiedenen Oberspannungsniveaus werden unterschiedliche Spannungsspiele untersucht. Deren Bezug zu den ertragbaren Lastwechseln bis zum Versagen soll eine Beurteilung der Lebensdauer ermöglichen.