Mehraxiale Festigkeit von UHPC
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Versuchstechnische Ermittlung und mathematische Beschreibung der mehraxialen Festigkeit von Ultra-Hochfestem Beton | Experimental determination and mathematical description of the multiaxial strength of Ultra-High Performance Concrete Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / SPP 1182 Zeitraum | Period 11.2005 – 06.2012 Leiter | Project Manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter | Contributor Dr.-Ing. Kerstin Speck |
Kurzbeschreibung
Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) zeichnet sich besonders durch eine hohe Festigkeit von bis zu 250 N/mm², eine hohe Dichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Ein wesentliches Einsatzgebiet von Ultra-Hochleistungsbeton sind schlanke stabförmige Systeme, bei denen die hohe Festigkeit in Druckgliedern ausgenutzt wird. In den Knoten von Stabwerken treten mehraxiale Spannungszustände auf, die häufig auf einaxiale zurückgeführt werden. Hierbei bleiben Festigkeitsgewinne bei mehraxialem Druck, aber auch Festigkeitsverluste bei kombiniertem Druck-Zug unberücksichtigt. Bei UHPC verschärft sich diese Problematik, da bei Betonen mit wenig Fasern die zweiaxiale Druckfestigkeit unter die einaxiale abfällt. Die mehraxiale Festigkeit ist somit für die Anwendung von UHPC sicherheitsrelevant. Am Institut für Massivbau wurden und werden deshalb zwei- und dreiaxiale Druckversuche sowie zweiaxial Druck-Zug- und Zug-Zug-Versuche durchgeführt. rnIn der Projektphase II (11/07-10/09) wurden die Lastpfadabhängigkeit im zweiaxialen Druckbereich sowie das Verhalten unter dreiaxialer Druckbeanspruchung untersucht. Es wurden zwei zweiaxiale Spannungsverhältnisse auf je drei verschiedenen Lastpfaden angefahren. Unabhängig vom Lastpfad wurden ähnliche Bruchlasten erzielt und auch die Bruchdehnungen lagen bei allen untersuchten Lastpfaden in der gleichen Größenordnung. Im Rahmen der dreiaxialen Versuche wurden der Druck- und der Zugmeridian proportional angefahren und die Polfigur in verschiedenen Ebenen untersucht, indem die Last zunächst hydrostatisch und dann in einer Polebene unter verschiedenen Winkeln bis zum Bruch gesteigert wurde. Die Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmung mit dem Bruchkriterium von Ottosen, welches für extrem spröde und anisotrope Betone erweitert wurde. Der „blaue“ Lastpfad mit hydrostatischer Vorlast ergab marginal höhere Bruchwerte (ca. 3 %). Insgesamt lag der Festigkeitsanstieg – bezogen auf die einaxiale Festigkeit – deutlich unterhalb der Werte, die bei Normalbeton auftreten. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen werden Modelle zur Beschreibung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens erarbeitet. Diese berücksichtigen die Anisotropie infolge der Faserverteilung und die Steifigkeitsveränderungen in Abhängigkeit vom Spannungsverhältnis.rnIn der Projektphase III (11/09-10/11) werden die zweiaxialen Druck-Zug- und Zug-Zug-Versuche durchgeführt. Die Herausforderung bei der Versuchsdurchführung besteht in der Einleitung der Zugkräfte. Bei einaxialen Zugversuchen werden häufig Proben mit Querschnittsschwächungen verwendet, um den Prüfbereich vom Störbereich der Lasteinleitung zu trennen. Bei zweiaxialen Versuchen ist diese Vorgehensweise nicht zielführend, da für den Lastabtrag in Querrichtung kein definierter Querschnitt vorliegt und somit kein definierter Spannungszustand. Somit bleibt nur die Lasteinleitung über Belastungsbürsten (um die Störungen im Spannungszustand zu minimieren), welche an den Probekörper angeklebt werden. Die Steifigkeit der Bürsten ist dahingehend zu optimieren, dass sie einerseits weich genug sind, um der Verformung des Probekörpers zu folgen. Andererseits versagt bei zu weichen Bürsten die Klebefuge schon, bevor die Zugfestigkeit des UHPC von bis zu 10 N/mm² erreicht wird.
Bericht aus dem Jahrbuch 2012
Mehraxiale Festigkeit von UHPC
UHPC mit Fasern unter einaxialem Druck
Eine feste Zementmatrix, hochfeste Zuschläge und eine dichte Struktur sorgen für das Potential von Ultrahochleistungsbeton (UHPC): hohe Druckfestigkeit und hohe Dauerhaftigkeit. Gleichzeitig führen die gegenüber Normalbeton fehlenden Umlagerungsmöglichkeiten zu einem deutlich spröderen Materialverhalten. Dies wirkt sich bei verschiedenen Spannungsverhältnissen unterschiedlich auf die Festigkeit aus. Beim Konstruieren mit UHPC muss dies berücksichtigt werden.
Viele auftretende Beanspruchungen führen in Betonbauteilen zu einem mehraxialen Spannungszustand, der bei den im Massivbau verwendeten Berechnungsmodellen i. d. R. auf einaxiale Belastungen zurückgeführt wird. Um eine realitätsnähere Berechnung zu ermöglichen, wurde die Tragfähigkeit von UHPC unter mehraxialen Belastungen experimentell bestimmt und immer bezogen auf die einaxiale Druckfestigkeit und im Vergleich zu Normalbeton dargestellt.
Unter zwei- und dreiaxialer Druckbeanspruchung steigt die Festigkeit gegenüber einer einaxialen Beanspruchung weniger an als dies von Normalbeton bekannt ist. Teilweise konnte unter gleich großem Druck von zwei Seiten gar keine Festigkeitssteigerung ermittelt werden. Die 10%-ige Festigkeitserhöhung bei der Berechnung von Druckknoten in Stabwerkmodellen kann somit für UHPC nicht ausgenutzt werden. Unter zweiaxialer Zugbeanspruchung liegt die Festigkeit genau wie bei Normalbeton in der Größenordnung der einaxialen Zugfestigkeit. Diese Festigkeit tritt im Druck-Zug-Bereich bis zu dem Punkt auf, wo Druck- und Zugkraft betragsmäßig gleich groß sind. Danach fällt – anders als bei Normalbeton – die Zugfestigkeit proportional zur zunehmenden Druckspannung ab.
Hochfeste Stahlfasern sollen dem spröden Verhalten von UHPC entgegenwirken. Durch die Zugabe von bis zu 2,5 Vol.-% Fasern kann die Zugfestigkeit um rund 30 % gesteigert werden. Unter zweiaxialem Druck bewirken die Fasern eine Festigkeitssteigerung von maximal 10 %. Ähnliche Umlagerungsmöglichkeiten und damit Festigkeitserhöhungen unter zweiaxialem Druck ergeben sich, wenn man UHPC mit statt ohne Grobzuschlägen herstellt. Auf das Spannungs-Dehnungs-Verhalten haben die Fasern nahezu keinen Einfluss, da der Fasergehalt unter dem Mindestbewehrungsgehalt liegt. Nur bei wenigen Spannungsverhältnissen konnten Unterschiede in Richtung der Querdehnung festgestellt werden. Ein quasi-duktiles Verhalten, wie es Normalbeton zeigt, tritt nur unter dreiaxialem Druck auf und ist umso ausgeprägter, je größer der Querdruck ist.
Bericht aus dem Jahrbuch 2011
Mehraxiale Festigkeit von UHPC
Versagen unter zweiaxialer Zugbeanspruchung
Ultrahochleistungsbeton (UHPC) besitzt viele Vorteile wie hohe Druckfestigkeit und große Steifigkeit, große Dichtigkeit und damit hohe Dauerhaftigkeit. Er hat aber auch Nachteile, die beim Konstruieren mit UHPC berücksichtigt werden müssen. So nimmt die Zugfestigkeit nicht im gleichen Maße zu wie die Druckfestigkeit, was sich in einem allgemein spröderen Versagen äußert. Auch führt die dichte Struktur zu einem schlagartigen Versagen bei Brandbeanspruchung. Diese Nachteile werden durch die Zugabe von Stahl- und/oder Polypropylenfasern teilweise kompensiert.
Zur Aufnahme von Zugkräften im Bauteil wird Bewehrung in den Beton eingelegt. Oft ist dennoch die Zugfestigkeit des Betons maßgebend für die Tragfähigkeit, wie bei der Bewehrungsverankerung, der Abtragung von Schubkräften oder der Lasteinleitung in Dübel oder Schubleisten. In der Regel sind mehraxiale Druck-Zug-Beanspruchungen bemessungsrelevant. Deshalb wurde die Tragfähigkeit von UHPC nicht nur unter zwei- und dreiaxialer Druckbeanspruchung untersucht, sondern sie wird in der dritten Phase des Vorhabens auch unter kombinierter Druck-Zug- und Zug-Zug-Beanspruchung experimentell bestimmt.
Die Versuche wurden in der Triaxialprüfmaschine im Otto-Mohr-Laboratorium durchgeführt. Für die Einleitung der Zugkräfte wurden spezielle Zug-Belastungsbürsten entwickelt, die im Gegensatz zu den aus hochfestem Stahl bestehenden Druck-Belastungsbürsten aus Aluminium gefertigt wurden. Sie weisen kürzere und weniger Einzelborsten auf, wodurch sich bei ähnlichen Steifigkeitsverhältnissen die Haltbarkeit der Klebefuge zwischen Beton und Lasteinleitungsbürste verbessert.
Die ertragbare Zugspannung liegt bei zweiaxialem Zug und im Bereich zwischen einaxialem Zug und reinem Schub (Zugkraft gleich Druckkraft) auf dem Niveau der einaxialen Zugfestigkeit und fällt dann bei Spannungsverhältnissen hin zum einaxialen Druck nahezu linear ab. UHPC verhält sich dabei nahezu linear-elastisch bis zum Bruch. Durch die Zugabe von bis zu 2,5 Vol.-% Stahlfasern wurde dieses Verhalten qualitativ nicht signifikant verändert, nur die einaxiale Zugfestigkeit wurde um rund 30 % erhöht.
Das Materialverhalten von UHPC unter mehraxialen Spannungszuständen unterscheidet sich signifikant von dem Verhalten von Normalbeton, so dass die bekannten emessungsansätze nicht auf UHPC übertragbar sind. Die Beschreibung dieses Verhaltens ist für die Anwendung von ultrahochfestem Beton somit unbedingt erforderlich, da die mehraxiale Festigkeit oft sicherheitsrelevant ist.
Bericht aus dem Jahrbuch 2009
Mehraxiale Festigkeit von UHPC
UHPC, also Ultrahochleistungsbeton, steht zum einen für eine bis zu fünfmal höhere Druckfestigkeit, für eine dichtere Struktur, höhere Frost- und chemische Beständigkeit, kurzum, für eine höhere Dauerhaftigkeit. Zum anderen verhält sich UHPC aber spröder als Normalbeton und die Zugfestigkeit nimmt nicht im gleichen Maße zu wie die Druckfestigkeit. Die Festigkeit bei Beanspruchungen aus mehreren Richtungen ist – bezogen auf die einaxiale Festigkeit – geringer als bei Normalbeton. Damit die Standsicherheit von Bauwerken aus UHPC trotzdem gewährleistet werden kann, untersucht unser Institut im Rahmen eines DFG-Schwerpunktprogramms die mehraxiale Festigkeit von UHPC.
Die Versuche werden in einer Triaxialprüfmaschine durchgeführt, mit der in allen drei Richtungen unabhängig voneinander Druck- und Zugkräfte in den Probekörper eingeleitet werden können. Die Lasteinleitung erfolgte über Spezialdruckplatten, so genannte Belastungsbürsten. Diese stellen eine homogene Spannungsverteilung im Probekörper sicher und ermöglichen es, die Verformung der Betonprobe zu ermitteln, auch wenn diese allseitig von den Belastungsbürsten umschlossen ist.
Bei den Versuchen bestätigte sich, dass die mehraxiale Festigkeit – bezogen auf die einaxiale Festigkeit – deutlich geringer ist als bei Normalbeton. Während Normalbeton unter zweiaxialem Druck höhere Festigkeiten aufweist als unter einaxialem Druck, gab es bei faserfreiem UHPC unter einigen Spannungsverhältnissen gar keine Festigkeitssteigerung gegenüber der einaxialen Festigkeit. Durch die Zugabe von Mikrodrahtfasern aus hochfestem Stahl kann eine Festigkeitssteigerung sichergestellt werden, welche aber immer noch deutlich unter den Werten von Normalbeton liegt. Trotz dieser Stahlfaserzugabe von bis zu 2,5 Vol.-% verhält sich UHPC unter einaxialem und zweiaxialem Druck sehr spröde. Mit steigender Druckkomponente in der dritten Richtung kommt es zu einem zunehmend duktileren Verhalten und damit zu einer frühzeitigen Ankündigung des Versagens. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass sowohl die maximal aufnehmbare Spannung als auch die dabei auftretenden Dehnungen unabhängig vom Lastpfad sind, mit dem die Probe belastet worden ist.
Im weiteren Verlauf des Forschungsvorhabens wird das Verhalten unter zweiaxialer Druck-Zug- bzw. Zug-Zug-Beanspruchung untersucht. Die im Versuch gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Formulierung von Stoffgesetzen ein, welche die wirklichkeitsnahe Berechnung von Bauteilen aus UHPC ermöglichen sollen.