Faserbetontests im Split-Hopkinson-Bar
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Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2020
Fas(er)zinierende dynamische Eigenschaften
Bruchflächen einer stahlfaserbewehrten Betonprobe
Faserverstärkter Beton zeichnet sich durch seine hohe Duktilität im Vergleich zu unbewehrten Normalbetonen aus. Die Fasern bilden eine Art diskontinuierliche, dreidimensional orientierte, isotrope Bewehrung im Beton. Die Fasern überbrücken Risse bei sehr geringen Rissbreiten, übertragen Belastungen und entwickeln im Beton eine Nachrissfestigkeit. Dies führt dazu, dass zur Trennung einer Betonprobe unter direkter Zugbelastung große Verschiebungen benötigt werden im Vergleich zu unbewehrtem Normalbeton, da trotz Rissen weiterhin noch Zugkräfte übertragen werden können.
Für die Dimensionierung von Gebäuden gegenüber hochdynamischen Beanspruchungen, wie beispielsweise Explosionen oder Fahrzeuganprall, können diese Eigenschaften entscheidende Vorteile bringen. Zum einen erhöhen sich durch die steigende Duktilität das Verformungsvermögen und somit auch die Energieaufnahme des Bauteils. Zum anderen kann dadurch ein entstehender Trümmerflug unterbunden werden, wodurch im Gebäude befindliche Personen oder Güter geschützt werden.
Für das Verständnis des Trag- und Schädigungsverhaltens von faserbewehrten Betonen unter dynamischer Belastung ist dazu die Kenntnis der maßgebenden dynamischen und mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Bruchenergie erforderlich. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Konstruktiven Ingenieurbau der Universität der Bundeswehr München wurden diese Kennwerte mittels dynamischen Spallations- und Spaltzugversuchen im Split-Hopkinson-Bar ermittelt. Untersucht wurden Betone der Festigkeitsklassen C20/25, C40/50 und C80/95 mit Stahlfasergehalten von 0 bis 2,0 Vol.-% sowie mit alternativen Carbon- und Polypropylen-Fasern.
Es konnte festgestellt werden, dass mit steigendem Faservolumengehalt eine Zunahme des Elastizitätsmoduls und der Zugfestigkeit der Faserbetone unter dynamischer Belastung resultiert. Des Weiteren wird durch die Zugabe von Stahlfasern die Bruchenergie enorm erhöht, welche mit steigendem Fasergehalt weiter zunimmt. Diese Erhöhung der Bruchenergie führt dazu, dass die entstehenden Bruchstücke eine deutlich geringere Restgeschwindigkeit im Vergleich zu den Bruchstücken unbewehrter Betone aufweisen. Bei einem Faservolumengehalt von 1,0 % ist eine Verzehnfachung der Bruchenergie gegenüber den unbewehrten Proben möglich. Die alternativ untersuchten Carbon- und Polypropylen-Fasern führen ebenso zu einer Steigerung der Bruchenergie, die jedoch gegenüber den stahlfaserbewehrten Proben geringer ausfallen. Durch die Zunahme des Verformungsvermögens aufgrund der Fasern kann das Ziel der Unterbindung bzw. Verringerung des Trümmerfluges bei stoßartig belasteten Bauteilen ermöglicht werden.