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Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt, der letztlich im Versagen des Materials enden kann. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb wurde in Laborversuchen das Ermüdungsverhalten von Beton unter Druckschwellbeanspruchungen untersucht. Im Fokus dieser Untersuchungen standen dabei die während der Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zur Schädigung des Gefüges und schließlich auch zum Ermüdungsversagen führen können.
In den Ermüdungsversuchen wurden versuchsbegleitend Dehnungsmessungen, Ultraschall-Laufzeitmessungen und Schallemissionsmessungen an den Proben zur Erfassung der Schädigungsevolution eingesetzt. Die Schallemissionsmessung ist dabei ein wichtiges Instrument, da sie die Rissentwicklungsprozesse detektiert, die die Ursache für die Materialschädigung sind. Mit ihr konnten die unterschiedlichen Phasen der Rissentwicklungen über die gesamte Lebensdauer der Betonproben festgestellt werden. Diese Phasen sind gekennzeichnet durch sich stabilisierende, stabile und instabile Rissprozesse, die entsprechende Auswirkungen auf das Materialverhalten haben. Ein Vergleich mit den Ergebnissen der anderen Messtechniken zeigt den entsprechenden Einfluss der Rissentwicklungen auf die Materialeigenschaften des Betons.
Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des heterogenen Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten momentan noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb befasst sich der vorliegende Beitrag mit der experimentellen Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Beton, speziell unter hochzyklischen Druckschwellbelastungen. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei die während der gesamten Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zu Veränderungen im Materialverhalten und schließlich auch bis zum Ermüdungsversagen führen können. Ziel ist es, eine möglichst realitätsnahe Beschreibung des im Materialgefüge ablaufenden Ermüdungsprozesses zu entwickeln.
Wärmebehandlung und Autoklavierung von UHPC - Neue Perspektiven für die Betonfertigteilindustrie
(2011)
Das Gefüge von UHPC ist durch eine dicht gepackte und fehlstellenarme Matrix gekennzeichnet. Eine zusätzliche Optimierung ist durch eine Wärmebehandlung bzw. hydrothermale Nachbehandlung (Autoklavierung) unter einem Wasserdampfsättigungsdruck möglich. Die Wärmebehandlung von Beton ist ein in der Betonfertigteilindustrie geläufiges Verfahren, um die Erstarrungszeit zu verkürzen und höhere Frühfestigkeiten zu erreichen.
Im Zusammenhang mit der Energiewende sind eine Reihe technischer Fragestellungen für die diesbezüglich erforderlichen Bauwerke wie Windenergieanlagen, Energiespeicher oder Freileitungsmasten zu lösen. Nachfolgend werden drei Forschungsprojekte auf Grundlage großmaßstäblicher Bauteilversuche vorgestellt, die derzeit an der BAM durchgeführt werden.
Ausgehend von einer kritischen Analyse der Materialkennwerte für normalfesten (NFB) und hochfesten Beton (HFB) im Eurocode 2 wurden in grundlegenden Untersuchungen an der BAM exemplarisch für einen HFB die thermomechanischen Materialkennwerte bestimmt, um auf der Basis eines geeigneten Materialmodells das Verhalten von Stahlbetonstützen aus HFB unter Brandbeanspruchung zu simulieren. Die Validierung des Modells erfolgte mittels großmaßstäblicher Brandversuche an belasteten Stahlbetonstützen aus dem gleichen HFB wie in den Materialuntersuchungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Festigkeit als charakteristischer Parameter des Materialmodells zwingend auf der Basis instationärer Versuche und nicht aus stationären Versuchen wie bei NFB üblich bestimmt werden muss. Mit den in vorgeschlagenen Materialbeziehungen für HFB wird das Tragverhalten der untersuchten Stützen dagegen deutlich überschätzt, was sich in den numerischen Simulationen insbesondere durch zu geringe Verformungen äußert.------------------------------------------------------------------------------------------------------
Development and Validation of an Advanced Calculation Model for High Strength Concrete Columns Subjected to Fire Loading
Following a critical analysis of the material parameters of normal strength (NSC) and high strength concrete (HSC) presented in Eurocode 2 the thermo-mechanical material parameters of one representative HSC were identified. Using these parameters and based on an appropriate material model the behavior of HSC columns was simulated. The validation of the model was realized through real scale fire resistance tests on loaded columns of the same type of HSC as in the material identification tests. It was found that the strength as a characteristic parameter of the material model has to be identified on the basis of transient creep tests and not of stationary tests, respectively as realized usually for NSC. It could be shown that the structural behavior of the tested columns is overestimated if the numerical simulations are based on the material properties of HSC as proposed in. This feature is expressed especially through insufficient displacements.
Vom Baustoff zum sicheren Bauwerk: Einsatz der Schallemissionsanalyse in der Bauabteilung der BAM
(2013)
Seit 2006 wird die Schallemissionsanalyse (SEA) in der Abteilung 7 Bauwerkssicherheit der BAM genutzt, um Gefügeveränderungen in Betonen zu untersuchen. Dabei haben sich bis heute im Wesentlichen folgende vier Forschungsbereiche herauskristallisiert:
Hydratation
Während der Hydratation von Beton ist eine ausgeprägte Schallemissionsaktivität zu beobachten, anhand derer der Hydratationsverlauf nachvollzogen werden kann. Zur Aufklärung der Quellmechanismen der Schallemissionen besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Des Weiteren kann mit Hilfe der SEA die frühe Rissbildung in Betonen, hervorgerufen durch autogenes oder plastisches Schwinden, analysiert werden.
Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
Bei der AKR handelt es sich um eine Reaktion alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen mit den Alkalien des Betons bzw. mit extern, z.B. durch Tausalze, zugeführten Alkalien. Dabei werden um die oder in der Gesteinskörnung quellfähige Gele gebildet, die zu einer völligen Zerstörung des Gefüges führen können. Mit der SEA können die Rissbildung detektiert und somit die Schädigungsphasen im Verlauf der AKR identifiziert werden.
Brandverhalten
Unter Brandeinwirkung platzt die Oberfläche gefügedichter Hochleistungsbetone explosionsartig ab. Um dies zu verhindern und somit den Feuerwiderstand von Bau-teilen aus Hochleistungsbeton zu erhöhen, werden dem Beton Polypropylenfasern beigemischt. Das Schmelzen der Fasern bei einer Temperaturerhöhung trägt zu einer erhöhten Mikrorissbildung bei, die einen Spannungsabbau ermöglicht. Die SEA konnte erfolgreich eingesetzt werden, um diesen Wirkmechanismus der Fasern nachzuweisen und weiter aufzuklären.
Ermüdungsverhalten
Durch die hohen zyklischen Lasten, für die Türme und Fundamente von Windkraft-anlagen ausgelegt werden müssen, gewinnen gesicherte Kenntnisse über das Ermüdungsverhalten von Betonen an Bedeutung. Mit der SEA ist es bei hochzyklischen Belastungsversuchen an Betonen möglich, den Schädigungsgrad im Verlauf der Beanspruchung zu bestimmen. Die Schallemissionsaktivität eignet sich als Kriterium, um die Versuche bei vorab definierten Schädigungsgraden zu unterbrechen und so Proben für weitergehende Untersuchungen zu gewinnen. Diese Ergebnisse sollen perspektivisch für Überwachungssysteme für Betonbauwerke unter zyklischer Beanspruchung genutzt werden.
Wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion führt zu Standsicherheitsproblemen an Spannbetonbrückenbauwerken mit hochempfindlichen Spannstählen im Spannblockverfahren. An der Altstädter Brücke (Brandenburg a. d. H.) bot sich die Gelegenheit, kurz vor deren Rückbau umfangreiche Untersuchungen zur Detektion und Verifizierung dieses Schadensbildes durchzuführen und verschiedene Monitoringverfahren hinsichtlich ihrer Eignung für diese spezielle Fragestellung zu untersuchen.
Beton, als aktuell am meisten verwendeter Baustoff ist nicht brennbar und weist zudem eine sehr geringe Temperaturleitfähigkeit auf. Er eignet sich somit gut für den baulichen Brandschutz. Jedoch neigt Beton im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und sogar zum Versagen des Bauteils führen können. Derzeit werden thermomechanische und thermohydraulische Schädigungsprozesse als die zwei maßgeblichen Ursachen für explosionsartige Abplatzungen angesehen. Diese Schädigungsprozesse sind unter anderem abhängig von der Prüfkörpergröße, dem Wasser-Zement-Wert, der Porosität, der Permeabilität und dem Bewehrungsgrad des Bauteils.
Im Rahmen des Vortrags werden die Forschungsarbeiten zum Maßstabseffekt des Abplatzverhaltens von Betonen bei Brandbeanspruchung präsentiert. Zu diesem Zweck wurden Betonprüfkörper aus sechs verschiedenen Betonmischungen in jeweils drei Prüfkörpergrößen einseitig, ohne Behinderung der thermischen Ausdehnung und ohne externe Last im Tunnelbrandprüfstand der BAM untersucht. Dieser unikale Prüfstand ermöglicht die Brandprüfung unterschiedlicher Prüfkörpergrößen unter vergleichbaren Brandbedingungen sowie die simultane Prüfung mehrerer kleinformatiger Betonprüfkörper. Das präsentierte, laufende Promotionsvorhaben basiert auf einem von der DFG geförderten Forschungsvorhaben und darauf aufbauenden Folgeuntersuchungen.
Die Ergebnisse des DFG-Vorhabens zeigen einen deutlichen Maßstabseffekt mit einer starken Verringerung der Abplatztiefen bei einer Reduzierung der Prüfkörpergröße. Des Weiteren ist das Abplatzverhalten stark von der Betonmischung abhängig. Vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung und Kostenreduzierung verfolgen die auf dem DFG-Vorhaben aufbauenden Untersuchungen das Ziel, das Abplatzverhalten großformatiger Betonprüfkörper durch kleinformatige Betonprüfkörper mit angepassten Randbedingungen nachzustellen. Hierfür wurden zwei Betonmischungen des DFG-Vorhabens verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Anpassung der Versuchsrandbedingungen dem Maßstabseffekt entgegengewirkt werden kann.
Monitoring 4.0/5.0
(2021)
Mehr als 10 % des deutschen Bruttoinlandsprodukts werden für Investitionen imBausektor eingesetzt. Die unmittelbar folgende Erkenntnis, dass eine zukunftsorientierte, nachhaltige Umgestaltung unserer Gesellschaft nicht ohne einen substanziellen Beitrag des Bausektors gelingen kann, hat sich mittlerweile weitgehend durchgesetzt. Die Komplexität der zugehörigen technischen Herausforderungen ist jedoch nicht zu unterschätzen.
Der Erhalt und die Weiterentwicklung der Verkehrsinfrastrukturen werden auch zukünftig einen Investitions- und Forschungsschwerpunkt in Deutschland bilden. Gemäß den aktuellen Entwicklungsprognosen sowohl der Bundesregierung als auch der Deutschen Bahn wäre bei unveränderten Marktanteilen der Bahn eine Zunahme insbesondere des Güterverkehrs in den kommenden 10 Jahren um ca. 50% zu erwarten. Dieser Zuwachs erfordert erhebliche Entwicklungen sowohl in der technischen Konstruktion der Fahrwege als auch im Erschütterungs- und Lärmschutz infolge des Schienenverkehrs.
Die Schallemissionsanalyse (SEA) ist ein passives zerstörungsfreies Prüfverfahren. mit dem Rissbildung, Risswachstum und andere Gefügeveränderungen delektiert und lokalisiert werden können. Anhand von zwei Beispielen aus der Forschung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) wird gezeigt welche Möglichkeiten die SEA beim Bauwerksmonitoring und bei der Untersuchung von Baustoffen bietet. Im ersten Beispiel wird die Ortung von Schallemissionen zur Verfolgung des Risswachstums in Beton eingesetzt. Weiterhin wird mit Zugversuchen an Faserbeton illustriert, dass mit der SEA Versagensmechanismen identifiziert werden können.