Verbund zwischen Beton und Bewehrungsstahl bei Impakt
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Gefördert durch: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 1501566.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Die Welle kommt als Zug zurück
Spallationsversuche werden zur Bestimmung der dynamischen Zugfestigkeit unterschiedlicher Materialien durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird ein Split-Hopkinson-Bar (SHB) verwendet, um zunächst eine mechanische Druckwelle in den Probekörper einzuleiten. Anders als bei normalen Druckversuchen im Split-Hopkinson-Bar befindet sich allerdings kein Ausgangsstab am Ende des Probekörpers. Am somit freien Probekörperende wird die Druckwelle in den Probekörper zurück reflektiert und dadurch in eine Zugwelle umgewandelt. Dabei ist wichtig, dass die Druckwelle, die zunächst den Probekörper durchläuft, diesen nicht vorschädigt und dass die Amplitude der Reflexion am Ende des Probekörpers gleichzeitig groß genug ist, um bei diesem ein Zugversagen herbeizuführen.
Diese Spallationsversuche wurden auch zur Prüfung der Verbundeigenschaften zwischen Beton und Bewehrungsstahl genutzt. Die Probekörper wurden von einer Nut, die nachträglich in den Beton geschnitten wurde, in zwei Segmente geteilt. Der Bewehrungsstab war im ersten Segment vollständig eingebettet, während sich die Länge der Verbundzone im zweiten Segment auf den zweifachen Stabdurchmesser beschränkte. Das Verbundversagen trat deshalb im zweiten Segment auf. Die Nut wurde im Versuch mit Stahlscheiben geschlossen, um die Druckwelle übertragen zu können. Die zurückkehrende Zugwelle beanspruchte ausschließlich die Verbundzone. Das somit ausgelöste Verbundversagen wurde messtechnisch durch zwei Highspeedkameras und einen optischen Extensometer erfasst.
Mit Hilfe des numerischen Modells mit einem vorgegebenen Verbundgesetz wurden mehrere mögliche Versuchskonfigurationen untersucht. Darüber hinaus wurde das Verfahren zur Auswertung der experimentellen Daten anhand der Verschiebungen validiert, die an denselben Positionen wie im Experiment ermittelt wurden. Es wurde gezeigt, dass die Beschleunigung des zweiten Segments zur Berechnung der Rückzugskraft verwendet werden kann, die der Verbundkraft entspricht. Die Öffnung der Nut entspricht dann dem Schlupf. Das detaillierte numerische Modell wurde verwendet, um die Rissstruktur zu visualisieren, und gab Einblicke in die Entwicklung der lokalen Spannungen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Eine gute Kombination
Verbundversuche zwischen Bewehrungsstahl und Beton werden seit langem an den unterschiedlichsten Probekörpern durchgeführt. Ziel der letzten Phase des Projekts ist es, Proben dynamisch zu untersuchen und die dynamischen Besonderheiten des Verbunds zwischen Bewehrungsstahl und Beton herauszuarbeiten.
Zum einen wurden Pull-out-, Double-pull-out-, Beam-end- und Spallationsprobekörper hergestellt und im Split-Hopkinson-Bar geprüft. Die Belastungsgeschwindigkeit betrug 1 m/s bis 7 m/s und die Impaktorlänge wurde variiert. Ein Ziel der Versuche war, eine Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung zu ermitteln. Das ist eine charakteristische Kurve, die die Auszugskraft des Stahls aus dem Beton mit der Verschiebung, die gleichzeitig stattfindet, in Beziehung setzt. Da es in den unterschiedlichen Versuchsarten zu unterschiedlichen Versagensmechanismen kommt, sind sie nicht direkt miteinander vergleichbar. Bei den Pull-out- und Double-pull-out-Probekörpern kam es zudem zu einer starken Spaltrissbildung. Es konnte gezeigt werden, dass die verbundfreie Vorlänge, wie sie beispielsweise bei den Beam-end-Probekörpern vorhanden war, das spaltrissinduzierte Versagen effektiv verhindern kann. Zum anderen wurden Zugstäbe und Haftzugversuche mit quer eingebautem Bewehrungsstahl konzipiert und hergestellt. Mithilfe der Haftzugversuche mit Querstahl wurde der transversale Haftverbund untersucht. Die Zugstäbe dienten der Untersuchung des Rissbildes und der Frage, wie viel Energie in den einzelnen Rissen über die vorhandene Verbundlänge absorbiert werden kann.
Im numerischen Teil des Projektes wurden im Programm LS-Dyna Modelle der Probekörper erstellt, um Phänomene zu beschreiben, die experimentell nicht messbar sind. Insbesondere der Beam-end-Test wurde detailliert nachgerechnet und es zeigte sich eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Die Rippen des Bewehrungsstahls wurden explizit mit Hexaederelementen modelliert. Die Kraftübertragung wurde durch Verzahnung der Stahlrippen und der Betonzähne gewährleistet, die durch einen Reibkontakt miteinander verbunden sind. Die resultierende Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung ist somit nur von Betonmaterialmodel abhängig.
Bericht aus dem Jahrbuch 2020
Stark verbunden
Im Fallversuchstand des Otto-Mohr-Laboratoriums, können großformatige Probekörper, wie Balken oder Platten, unter Impaktbeanspruchung geprüft werden. Stahlimpaktoren mit 100 mm Durchmesser werden mit Druckluft beschleunigt und treffen den Probekörper mit unter-schiedlichen Geschwindigkeiten. Zur weitergehenden Untersuchung der Einflüsse auf den Dehnungsverlauf im Bewehrungsstahl in Balkenversuchen wurde eine zweite Serie an Balken geprüft, um Rückschlüsse auf die Beanspruchung des Verbunds zwischen Beton und Bewehrungsstahl ziehen zu können. Die zweite Serie zeichnet sich durch weniger Variationen der Geometrie aus. Es wurden erneut zwölf Balken getestet, diesmal jedoch mit nur drei Unterserien. Eine Teilserie an Balken wurde mit Bügeln bewehrt, in einer anderen wurden Hüllrohre um die Bewehrung gelegt. Ziel war es, die Hüllrohre an den Stellen zu platzieren, an denen Risse auftreten und mit hoher plastischer Dehnung des Stahls gerechnet wurde. Tatsächlich wurden im Biegeriss in der Balkenmitte in einigen Versuchen deutlich größere Dehnungen in den Hüllrohren gemessen als in den Versuchen ohne Hüllrohre. In den Drittelspunkten, wo mit den schrägen Stanzkegelrissen zu rechnen war, wurden keine großen Unterschiede zwischen den Messungen in und außerhalb der Hüllrohre festgestellt. Die Belastungsgeschwindigkeit wurde innerhalb der Unterserien variiert. Da Balken mit Bügelbewehrung generell unempfindlicher auf Impakt reagieren, wurde hier die Maximalgeschwindigkeit des Impaktors, im Vergleich zu den Proben ohne Bügelbewehrung, erhöht. Die Verbundspannungen zwischen den einzelnen Messstellen lassen sich mithilfe der diskreten Dehnungswerte und der Verbundlänge zwischen den Messungen berechnen.Mit den neuen Erkenntnissen zum Verhalten von Bewehrung in Balkenversuchen können die Verbundversuche im Split-Hopkinson-Bar durchgeführt werden. Die Balkenversuche dienen auch der Definition von Belastungs-historien, wie sie in Großbauteilen auftreten und im Split-Hopkinson-Bar nachgeahmt werden sollen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
Große Wellen schlagen
Ein lautes Zischen ertönte und schon glitt der Impaktor mit einer Geschwindigkeit von über 60 km/h durch das Führungsrohr des Fallturms. Am Ende des Rohres befanden sich unterschiedliche Balken aus Stahlbeton. Keiner von ihnen überlebte den Aufprall. Aber das ist in Ordnung, weil es unser Tagesgeschäft ist, Beton zu zerstören. Immerhin geht es darum, die Schädigungsmechanismen, die an den Balken auftreten, zu verstehen, um die Sicherheit von Bauwerken gegenüber Impakt zu erhöhen.
In diesem Projekt wird zunächst ermittelt, wie stark und an welchen Stellen im Balken der Verbund zwischen Stahlbewehrung und Beton unter Impakt beansprucht wird. Die Versuchsserie enthielt Probekörper, die den Einfluss von Bügelbewehrung und Bügelabständen sowie der Länge der Verbundzone abbilden. Einige Probekörper wurden mit Aussparungen sowohl in Balkenmitte als auch an den Stellen, wo typischerweise der Durchstanzkegel aus der Unterseite ausbricht, versehen. Neben Auflagerkräften, der Durchbiegung und der Beschleunigung des Balkens wurden die Dehnungen auf den Längsrippen der Bewehrung gemessen, um die Verbundbeanspruchung zu ermitteln. Vorangegangene statische Auszugversuche haben gezeigt, dass die einbetonierten Dehnmessstreifen den Verbund nur geringfügig beeinflussen.
Diese Vielzahl unterschiedlicher Versuche, die einerseits zusätzlich numerisch validiert werden und andererseits eine genauere Analyse der Dehnungen und Schädigungen im Balkeninneren zulassen, bildet eine gute Grundlage für die Evaluierung der Verbundbeanspruchung in realen Bauteilen.
Um den Verbund auch lokal untersuchen zu können, soll der vorhandene Split-Hopkinson-Bar verlängert werden. Dank der neuen Konfigurationen ist es möglich, sowohl Druck- als auch Zugwellen mit einer Länge von bis zu 5 m zu erzeugen. Größere Wellenlängen haben größere Verformungen der Probekörper zur Folge, was in unserem Fall bedeutet, dass der Schlupf zwischen Beton und Bewehrung größer wird. Es wird zwei Zugkonfigurationen geben: eine mit Aluminiumstäben, um Betonprobekörper unter dynamischer Zugbeanspruchung zu testen, und eine mit Stahlstäben, die die direkte Lasteinleitung in den Bewehrungsstahl ermöglicht. Mit diesen neuen Konfigurationen können neuartige Probekörper getestet werden, die die unterschiedlichen Belastungszustände, die in den Balken auftreten, abbilden. Mithilfe von Finite-Elemente-Modellen werden die neuen Prüfkörper optimiert und Auswertungsverfahren untersucht.
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
Verbund unter Impakt - die Geschichte geht weiter
In der ersten Phase des Projekts wurde die lokale Verbundspannung-Schlupf-Beziehung zwischen Beton und Bewehrungsstahl unter Impaktbelastung untersucht. Es wurden sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen an zylindrischen und würfelförmigen Probekörpern mit kurzen Verbundlängen durchgeführt. In der aktuellen zweiten Phase des Projektes wird eine breitere Betrachtungsweise des Verbunds angestrebt. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuen, realistischen Verbundversuchs, der auf die Untersuchung der Verbundeigenschaften unter Impaktbelastung abgestimmt ist.
Eine Idee ist es, den Spallationseffekt auszunutzen. Spallation entsteht, wenn sich eine Druckwelle durch einen spröden Probekörper bewegt und vom freien Ende als Zugwelle, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, reflektiert wird. Diese Spannungsumkehr verursacht Zugspannungen im Probekörper, die zum Versagen führen. Um ein dynamisches Gleichgewicht im Probekörper zu erreichen und einen langen Belastungsimpuls zu erzeugen, wird ein langer Split-Hopkinson-Bar, mit einer Länge des Ein- und Ausgangsstabes von 20 m und einer Impaktorlänge von 10 m, entwickelt. Ein Impaktor dieser Länge erzeugt einen Belastungsimpuls mit einer Länge von 20 m. Dieser führt zu größeren Verschiebungen des Eingangsstabes und ermöglicht die Prüfung von duktilen Materialien oder Verbundwerkstoffen, bei denen Deformationen von mehr als 5 mm erforderlich sind. Damit kann das Nachbruchverhalten erfasst werden.
Eine weitere mögliche Prüfmethode basiert auf einem stahlverstärkten Balken mit einem vordefinierten Ausschnitt in der Mitte der Spannweite. Innerhalb des Schnittes werden Dehnungsmessstreifen direkt auf die Stahlbewehrung angebracht. Die Idee besteht darin, realistische Verbunddehnungsraten zu messen, die in einem durch den Aufprall belasteten Balken induziert werden.
Begleitend werden numerische Versuche durchgeführt, bei denen die Bewehrung als Balkenelement modelliert wird. Diese Simulationen helfen bei der Experimentplanung, bei der Entscheidung zur bestmöglichen Anordnung der Sensoren und sie ermöglichen einen besseren Einblick in den Spannungszustand der Probe, besonders in Verbundzonennähe.
Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 1501566 gefördert.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
Verbund unter Impakt
Die Leistungsfähigkeit eines Verbundwerkstoffs wie Stahlbeton hängt stark von den Verbundeigenschaften zwischen der Betonmatrix und der Stahlbewehrung ab. Bei der Untersuchung des Verbundverhaltens ist zu beachten, dass es sich nicht um eine generische Materialeigenschaft handelt, sondern um eine Kombination verschiedener Parameter wie z. B. den Materialeigenschaften von Beton und Stahl, der spezifischen Oberfläche der Stahlbewehrung sowie der Größe und Geometrie der untersuchten Probe. Obwohl der Verbund zwischen Stahl und Beton seit über 100 Jahren untersucht wird, tauchen immer noch Fragen auf. Eine dieser Fragen betrifft den Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit auf die Verbundeigenschaften.
Während des gesamten Projekts untersuchten wir das Verbundverhalten unter Belastungsraten, die zwischen quasi-statisch und hoch dynamisch variieren. Um die erforderlichen Belastungsgeschwindigkeiten aufzubringen, wurden herkömmliche Universalprüfmaschinen sowie ein Fallturm und ein Split-Hopkinson-Bar verwendet. Überwiegend wurde Stahl mit einem Durchmesser von 10 mm untersucht, aber wir konnten auch zeigen, dass das entwickelte Prüfverfahren auch für größere Bewehrungs-stahldurchmesser von 16 mm geeignet ist.
Für die Analyse der gemessenen Daten wurde die Wellenausbreitungstheorie in elastischen Körpern angewendet. Der Trägheitseinfluss wurde aus den Messdaten durch Berücksichtigung des dynamischen Gleichgewichts eliminiert. Wir kamen zu dem Schluss, dass höhere Belastungsraten die gemessene Verbundfestigkeit um bis zu 25 % erhöhen. Der Versagensmodus war durch Abscheren der Betonkonsolen zwischen den Rippen des Bewehrungsstahls gekennzeichnet. Dieser Versagensmodus wurde bei allen Parameterkombinationen beobachtet.
Wir verglichen auch die Pull-out- und die Push-in-Belastungsvarianten und kamen zu dem Schluss, dass die Push-in-Belastung jeweils höhere Verbundfestigkeiten im Vergleich zur Pull-out-Belastung ergab. Mit einer numerischen Modellierung wurde das Verhalten des Verbunds unter noch höheren Belastungsraten vorhergesagt. Das numerische Modell enthielt keine phänomenologischen Abhängigkeiten der Material-eigenschaften von der Belastungsrate und zeigte gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Ergebnissen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
Teamwork vom Feinsten – Beton und Stahl
Stellen Sie sich ein zweiköpfiges Team vor: Ein Teammitglied ist sehr stark, wenn es um Zug geht, aber es ist eher teuer. Das andere kann Zug nur schwer aushalten, aber Druck nahezu perfekt und ist in Hülle und Fülle vorhanden. Ja, wir sprechen über Stahl und Beton. Zusammen bilden sie ein perfektes Team: Stahlbeton! Aufgrund der Ausnutzung ihrer jeweiligen Stärken ist der resultierende Verbundwerkstoff bekanntlich sehr effektiv und kostengünstig. Was jedoch noch nicht gut beschrieben ist, ist das Verhalten von Stahlbeton unter hohen Belastungsraten, wie sie bei Stoßereignissen auftreten.
Im Bauwesen wird ein Bauteil für gewöhnlich als starrer Körper angesehen und grundlegende Zustandsgleichungen können vor und nach dem Stoßereignis gelöst werden. Im Projekt beschreiben wir, was genau während des Stoßereignisses geschieht und wie die Kraftübertragung zwischen den beiden Komponenten des Stahlbetons funktioniert. Dafür werden konventionelle Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen ermittelt. Eine Herausforderung bei der Stoßbelastung ist die Abtastrate. Sie muss experimentell als auch numerisch hoch genug sein, um alle wichtigen Details zu erfassen.
Der Schlupf des Stahles wird mit einem optischen Extensometer und einer Hochgeschwindigkeitskamera gemessen. Zur Bestimmung der Verbundspannung vergleichen wir die Spannungsverläufe vor und nach der Verbundzone. Zusätzlich verwenden wir unter der Probe befindliche Kraftmessdosen und Beschleunigungsmesser, die an der Oberseite der Betonprobe befestigt werden. Die Tests selbst finden in konventionellen servohydraulischen Maschinen (geringe Belastungsgeschwindigkeiten), einem instrumentierten Fallturm (mittlere Belastungsraten) und einem Split-Hopkinson-Bar (hohe Belastungsraten) statt.
Jeder experimentelle Aufbau wurde zudem als Muster für die Simulation verwendet. Bei der Analyse der Daten ist besonderes Augenmerk auf die Wellenausbreitung in der Probe und die verschiedenen Reflexionen zu legen, da ein falscher Versuchsaufbau zu irreführenden Ergebnissen führen kann. Darüber hinaus muss das dynamische Kräftegleichgewicht in jedem Zeitschritt überprüft werden. Es wurde gezeigt, dass insbesondere die Trägheit der Probe bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden muss.
Bericht aus dem Jahrbuch 2015
Beton-Stahl-Verbund bei Impakt
Die Welt verändert sich rasant und stellt uns vor neue Herausforderungen, die nicht nur den baulichen Entwurf betreffen, sondern auch die dazugehörigen Sicherheitskonzepte. Als der meistverwendete Konstruktionswerkstoff ist Stahlbeton häufig den verschiedensten Impaktbelastungen ausgesetzt. Terroristische Anschläge wie Kontaktexplosionen, Projektileinschläge und andere Arten des harten Impakts stellen für die heutige Gesellschaft eine ernst zu nehmende sicherheitsrelevante Bedrohung dar. Es sind Ereignisse von kurzer Dauer, wonach für ihre Bemessung die Ausnutzung des sogenannten Dehnrateneffektes – Zuwachs von Materialfestigkeiten mit steigender Belastungsgeschwindigkeit – denkbar wäre. Ziel des laufenden Projektes ist es, den Einfluss dieses Effektes auf das Verbundverhalten zwischen Beton und Bewehrungsstahl unter Impaktbelastung zu untersuchen. Unter quasi-statischer Belastung hängt die Verbundfestigkeit in erster Linie von der Druckfestigkeit und der Spaltzugfestigkeit des Betons ab. Diese Abhängigkeit kann im dynamischen Fall womöglich eine andere sein, da der Dehnrateneffekt im Zugbereich ausgeprägter ist als im Druckbereich.
Bei den laufenden Versuchen wird die Verbundfestigkeit zwischen Stahl und Beton unter Impaktbelastung mit der unter quasi-statischer Belastung verglichen. Dabei wird zwischen zwei Belastungsarten unterschieden: Pull-out und Push-in. In den bisherigen Versuchen schien es, als wäre die Belastungsart im quasi-statischen Fall vernachlässigbar, wohingegen sich Unterschiede zwischen Pull-out und Push-in bei Impaktbelastung insofern deutlicher abzeichneten, als sich bei ersteren eine deutlichere Abhängigkeit von der Dehnrate ergab. Es zeigte sich auch, dass die Verbundfestigkeit zwischen Stahlstab und Beton bereits bei mittleren Belastungen, einer Aufprallgeschwindigkeit von 1–2 m/s entsprechend, um bis zu 150 % ansteigt. Um das Verbundverhalten unter höheren Impaktbelastungen zu untersuchen, sind für das nächste Jahr Versuche in der Split-Hopkinson-Prüfeinrichtung geplant.
Darüber hinaus werden numerische Simulationen durchgeführt, um die Geometrie der Probe und den exakten Versuchsaufbau abzustimmen. Zudem werden detaillierte numerische Modelle für die Simulation des lokalen Verbundverhaltens generiert. Auf die globalen Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen abgestimmt, sollten sie lokale Einblicke in die Struktur erlauben, welche experimentell nicht zu erhalten sind, ohne in das Material einzugreifen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2014
Verbund zwischen Beton und Bewehrungsstahl unter dynamischer Belastung
Sowohl für Beton als auch für Stahl wurden bei zahlreichen Experimenten unter dynamischer Belastung Festigkeiten gemessen, die die statischen Werte auffallend übertreffen. Unter Ausnutzung dessen könnte zukünftig das Bemessungskonzept für impaktgefährdete Gebäudestrukturen noch wirtschaftlicher gestaltet werden. Bevor jedoch dazu übergegangen werden kann, muss sichergestellt werden, dass Beton und Stahl auch im Zusammenspiel den entsprechenden Beanspruchungen standhalten können.
Ziel des Forschungsprojektes ist es, dies zu untersuchen und den Mechanismen des Verbundes auf den Grund zu gehen. Das Vorhaben umfasst dazu sowohl ein umfassendes experimentelles Versuchsprogramm als auch einen numerischen Teil. Dieser soll mit einer räumlich und zeitlich veränderlichen Abbildung der Vorgänge dem tieferen Verständnis der Effekte dienen, die im Experiment beobachtet werden.
Dieses Projekt baut auf vorangegangenen Arbeiten bspw. zum Verbundverhalten oder zum Verhalten von unbewehrtem Beton bei Tests im einaxialen Split-Hopkinson-Bar auf. Der Schwerpunkt der bisherigen dynamischen Untersuchungen lag auf dem sogenannten Dehnrateneffekt und hier auf der Abgrenzung des Beitrags von materiellen und strukturellen Eigenschaften von Betonproben an der Festigkeitssteigerung. Dafür basierten die Simulationen auf rein statischen Annahmen. Das hinterlegte Werkstoffgesetz wies konsequent keinerlei Abhängigkeit von der Dehnrate auf und ließ mögliche physikalische Ursachen unberücksichtigt. Experimentelles Vorbild der Simulationen waren Split-Hopkinson-Bar-Versuche bei verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten und Betonzusammensetzungen. Dabei lieferte die Auswertung der numerischen Daten anhand des üblichen Verfahrens auch hier Festigkeiten, die zum Teil etwas höher waren als die angenommenen statischen Werte. Es stellte sich heraus, dass die starke Nichtlinearität des Beton-Stoffgesetzes hierbei eine wichtige Rolle spielt, da sie die longitudinale Wellenausbreitung stark mitbestimmt. In Visualisierungen ist der Einfluss der Nichtlinearität gut zu erkennen, da die Dehnungen zum gleichen Zeitpunkt wie die Spannungen viel stärkere Lokalisierungen aufweisen.
Auf den aktuellen Ergebnissen aufbauend lässt sich für die Mechanismen der Verbundtragwirkung die Beantwortung vieler noch offener Fragen erhoffen. Neue Erkenntnisse erhoffen wir uns auch aus den demnächst beginnenden experimentellen Untersuchungen.