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Organisationseinheit der BAM
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.
The aim of this project is to get deeper insight into the fatigue behaviour of concrete under cyclic compressive loading. It focuses on the evaluation and modelling of the entire damage process during life-cycle by means of various non-destructive measuring techniques. In numerous tests on cylinders h/d = 30/10 cm under different cyclic loading conditions, the crack development and the damage evolution are monitored using acoustic emission analysis and ultrasonic velocity measurement. The final aim will be the definition of a damage descriptor D based on experimental observations, which can be implemented into a numerical model on a meso-mechanical level.
The current knowledge about fatigue behavior of concrete is still incomplete. This concerns especially the progress of fatigue which precedes the fatigue failure. Therefore, the process of fatigue itself under cyclic compressive loading was investigated in a systematic and comprehensive way. The aim of this investigation was to obtain a deeper insight and to provide a better understanding of the damage process occurring within the material during fatigue loading. Concrete cylinders were tested with a number of cycles to failure between 106 and 107. To investigate macroscopic and microscopic changes in the material, various methods of non-destructive and destructive testing were used. One main result was, in contrast to other authors, that the investigated changes in macroscopic material behavior could not be explained only by a development of micro-cracks. The results indicated rather, that the related changes in the fatigue behavior are mainly a result of viscous processes in the hardened cement paste, similar to the processes of creep. Based on the experimental results a description of the possible processes was derived which take place in the material structure during fatigue loading and also leads to the observed macroscopic changes in the material behavior. In this context, the results have shown that in case of isotropic material behavior a stiffness reduction related to a scalar value could not capture the damage effect on the stress-strain-relationship caused by fatigue.
The current knowledge about fatigue behavior of concrete is still incomplete. This concerns especially the progress of fatigue which precedes the fatigue failure. Therefore, the process of fatigue itself under cyclic compressive loading was investigated in a systematic and comprehensive way. The aim of this investigation was to obtain a deeper insight and to provide a better understanding of the damage process occurring within the material during fatigue loading. Concrete cylinders were tested with a number of cycles to failure between 106 and 107. To investigate macroscopic and microscopic changes in the material, various methods of non-destructive and destructive testing were used. One main result was, in contrast to other authors, that the investigated changes in macroscopic material behavior could not be explained only by a development of micro-cracks. The results indicated rather, that the related changes in the fatigue behavior are mainly a result of viscous processes in the hardened cement paste, similar to the processes of creep. Based on the experimental results a description of the possible processes was derived which take place in the material structure during fatigue loading and also leads to the observed macroscopic changes in the material behavior. In this context, the results have shown that in case of isotropic material behavior a stiffness reduction related to a scalar value could not capture the damage effect on the stress-strain-relationship caused by fatigue.
Fatigue is of relevance not only for metals but also for concrete. The current knowledge about fatigue behaviour of concrete is, however, incomplete. This concerns especially the progress of fatigue which precedes the fatigue failure. Some macroscopic effects of this process are well known but the governing material changes behind them are still less studied. The focus of the present contribution lay on a systematic and comprehensive investigation of the fatigue process under cyclic compressive loading. The aim was to obtain a deeper insight and to provide a better understanding of the damage process in the material. Cylindrical specimens were tested with a number of cycles to failure between 106 and 107. Various methods of non-destructive and destructive testing were used to investigate macroscopic and microscopic changes in the material. One main result was that the changes in the macroscopic material behaviour could not be explained only by the development of micro cracks. The results indicated that the related changes in the fatigue behaviour originate rather from viscous processes in the cement stone, similar to the process of creep. A sound description of the possible processes was derived from the obtained experimental results which concerns material structure during fatigue loading. It has been shown that in case of isotropic material behaviour a stiffness reduction related to a scalar value could not capture the damage effect on the stress-strain relationship caused by fatigue.
Severe mechanical fatigue conditions for worldwide proliferating windfarms are a Major challenge for high-performance concrete in towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-performance concrete offers potential for the application in offshore windfarms, not only regarding its good mechanical, but also chemical resistivity due to low diffusivity in the highly densified microstructure. For a more reliable fatigue assessment, monitoring based on nondestructive testing can be a valuable complement to design rules. Both approaches demand reliable experimental data, information about scalability and the development of standardized testing methods. This article presents results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), which is a part of a joint national project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject implemented by BAM examines the fatigue behavior in dependence of size and slenderness for varying concrete strength at different stress levels. Besides fatigue strength, nondestructive testing is carried out additionally.
Methods used are strain measurement and ultrasonic testing. The change of strain, stiffness and ultrasonic pulse velocity in the fatigue process is discussed. Results disclose a deeper insight into the damage process under cyclic loading of high-performance concrete and contribute to improve nondestructive monitoring.
The worldwide spread of windfarms brings new challenges, especially for concrete structures as a part of towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-cyclic loadings in such structures lead to a high relevance of the subject of fatigue. A proper assessment of the fatigue strength of concrete demands therefore a basis of reliable experimental data and the development of standardized testing methods. This article presents first results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) which is a part of a joint project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject investigates the effects of size and slenderness of the specimens on the fatigue behaviour of high strength concrete at different stress levels. Not only the fatigue strength, but also the fatigue process itself is monitored by means of several measurement methods. Strain measurements are used to calculate the load dependent elastic modulus in the fatigue hysteresis as indicators for fatigue development. Furthermore, the application of non-destructive methods like acoustic emission analysis and ultrasonic measurement in laboratory tests gives a deeper insight into damage processes under cyclic loading. The results shall be used to improve design rules for concrete members under fatigue load and to develop or improve non-destructive techniques for in-service structural health monitoring.
Die heute in der Anwendung befindlichen Bemessungskonzepte für Ermüdung von Beton stammen zum Teil noch aus den 1990er Jahren und sind speziell hinsichtlich hochfester Betone konservativ ausgelegt. Um die Vorteile von Türmen für Windkraftanlagen, vor allem auch aus hochfesten Betonen, im Zuge des geplanten Ausbaus der Windenergieversorgung in Deutschland wirtschaftlich nutzbar zu machen, müssen diese Bemessungskonzepte weiterentwickelt werden. Dafür sind umfangreiche Untersuchungen zur Ermittlung von Bruchlastwechselzahlen und zur Charakterisierung der Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung erforderlich. Allgemein anerkannte bzw. verbindliche Regelwerke oder Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit (Bruchlastwechselzahlen) an Betonproben gibt es zurzeit aber nicht und die bisher durchgeführten Untersuchungen variieren in Parametern wie Probengeometrie, Probengröße und Prüffrequenz. Eine vergleichende Analyse der Ergebnisse der Studien und insbesondere die Übertragbarkeit auf bauteilrelevante Abmessungen ist auf dieser Grundlage nur sehr eingeschränkt möglich.
Die zunehmende Anwendung hochfesten Betons in ermüdungsbelasteten Bauwerken, herausfordernde Belastungsszenarien im Bereich von On- und Offshore Windenergieanlagen bezüglich sehr hoher Lastwechselzahlen sowie das gleichzeitige Streben nach energie- und ressourcenschonendem Bauen stellen die Bemessung von Beton gegen Ermüdung vor neue Aufgaben. Eine Vielzahl von Studien beschreibt bereits die Auswirkung von Einflussfaktoren wie Mischungszusammensetzung, Feuchte, Probekörpergröße oder Belastungsart auf die Ermüdungsfestigkeit und den Ermüdungsprozess. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien und Mischungen der in den verschiedenen Studien verwendeten Proben sind die Auswirkungen der Einflussfaktoren jedoch kaum miteinander vergleichbar. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat wurden deshalb verschiedene Einflussfaktoren gezielt an Proben mit einheitlichen Mischungen untersucht. Das durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bearbeitete Teilprojekt fokussierte sich auf den „Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton“. Neben der Erhebung von Daten zur Ermüdungsfestigkeit wurde der Ermüdungsprozess mit zerstörungsfreien Prüf- und Messmethoden untersucht. Diese Prüfmethoden wurden auch hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Erfassung der ermüdungsbedingten Schädigungsentwicklung an Betonbauwerken im Rahmen von Monitoringkonzepten bewertet. Untersucht wurden die Ermüdungsfestigkeiten und der Ermüdungsprozess an Zylindern mit drei unterschiedlichen Betonmischungen sowie unterschiedlicher Größe und Schlankheit. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert.