Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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.
Das Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung unterscheidet sich wesentlich von dem des normalfesten Betons. Dies bedeutet, dass bestehende Annahmen sowie Berechnungsverfahren mit zugehörigen Materialparametern, die von einem normalfesten Beton ausgehen, nicht ohne weiteres auf den hochfesten Beton übertragen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher exemplarisch für einen hochfesten Beton das Verhalten unter thermomechanischer Beanspruchung untersucht. Dabei wurden die Einflüsse verschiedener Randbedingungen bei der Prüfung sowie der Einfluss von Polypropylenfasern (PP-Fasern) im Beton auf die thermomechanischen Materialeigenschaften charakterisiert und ein wesentlicher Beitrag zur Klärung der Ursachen geleistet. Weiterhin wurde mit Hilfe der gewonnenen Kennwertfunktionen ein Materialmodell entwickelt und damit das Trag- und Verformungsverhalten von Stahlbetonstützen aus hoch-festem Beton unter Brandbeanspruchung rechnerisch beschrieben. Anhand eines Bauteilversuchs wurde das Berechnungsverfahren validiert. Die Bearbeitung erfolgte in drei Teilen. In dem ersten Teil dieser Arbeit wurde ein thermomechanischer Prüfstand entwickelt, in dem die Ermittlung der thermomechanischen Materialkennwertfunktionen exemplarisch für einen hochfesten Beton erfolgte. Ein wesentlicher Untersuchungsgegenstand war der Einfluss der Belastungsgeschichte während der Erwärmung auf die Spannungs-Dehnungs-Linien. Dabei wurde eine Reduzierung des temperaturbedingten Abfalls der Festigkeit und des E-Moduls mit zunehmender Belastung und Temperatur festgestellt. Mit zerstörungsfreien und zerstörenden Prüfverfahren konnte gezeigt werden, dass die Belastung während der Erwärmung eine Orientierung der Risse bewirkt und dadurch der Abfall in der Festigkeit und dem E-Modul verringert wird. Der Einfluss hoher lokaler Temperaturgradienten auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen wurde ebenfalls untersucht. Zwar entstehen infolge thermomechanischer Spannungen zusätzliche Risse im Betongefüge, diese wirken sich jedoch nicht wesentlich auf die thermomechanischen Kennwertfunktionen aus. Weiterhin wurde der Einfluss von PP-Fasern auf das Verformungsverhalten des Betons bei instationärer Temperaturbeanspruchung untersucht. Mit Hilfe thermogravimetrischer Versuche konnte gezeigt werden, dass die PP-Fasern durch ihre Wirkung im Beton den Feuchtetransport je nach Aufheizrate zwischen 180 °C und 250 °C beschleunigen. Dies führt zum Schwinden des Zementsteins, das der thermischen Dehnung entgegenwirkt und in der Verformungskurve als Stagnation wahrgenommen wird. Ohne PP-Fasern findet der Feuchtetransport wesentlich langsamer statt und eine Stagnation in der Verformungskurve bleibt aus. Bei Temperaturen oberhalb von 300 °C sind die thermischen Dehnungen des Betons mit PP-Fasern geringer und die mechanischen Dehnungen höher als ohne PP-Fasern. In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurden Stahlbetonstützen aus dem gleichen Beton, für den die thermomechanischen Kennwertfunktionen ermittelt wurden, unter Brandbeanspruchung geprüft. Nach der Beanspruchung erfolgte zusätzlich die Charakterisierung der Rissbildung mittels 3D-Röntgen-Computertomographie. In dem dritten Teil dieser Arbeit wurde auf der Grundlage der Ergebnisse des ersten Teils ein Materialmodell in Anlehnung an den Eurocode 2 entwickelt. Mit diesem konnte das Trag- und Verformungsverhalten der Stahlbetonstützen aus hochfestem Beton im Brandfall hinreichend genau abgebildet werden. Im Rahmen der Validierung zeigte sich, dass die charakteristischen Kenngrößen des Modells (E-Modul und Festigkeit) zwingend aus den instationären Kriechversuchen abgeleitet werden müssen. Sofern die Festigkeit nur aus den stationären Versuchen abgeleitet wird, wird das Tragverhalten deutlich überschätzt.
Derzeit ist die Instandhaltung von großen Betontragwerken wie Brücken oder Windenergieanlagen problemorientiert und von einem reaktiven Vorgehen geprägt. Das bedeutet, erst wenn sichtbare Schäden vorliegen, werden diese meist unter Beeinträchtigung des Betriebs instand gesetzt. Im Hinblick auf die Entwicklung von prädiktiven Instandhaltungsstrategien, deren Fokus in der langfristigen Bauwerksüberwachung und der Vorhersage von Schädigungsentwicklungen liegt, wurde die Anwendung von Ultraschallverfahren für die Identifizierung der Degradationsprozesse von Betontragwerken unter Ermüdungsbeanspruchung untersucht. Hierzu fanden Arbeiten im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat zum "Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton" an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und zu den "Methoden zur Zustandsanalyse von Windenergieanlagen" am Institut für Massivbau (IfMa) der Leibniz Universität Hannover (LUH) statt, welches zudem vom Deutschen Beton- und Bautechnik Verein e.V. (Forschungsvorhaben DBV-311) gefördert wurde. Dabei wurden verschiedene Einflussfaktoren auf die Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung wie die Probekörpergröße, das Belastungsniveau und die Betonfestigkeit untersucht. Als Schädigungsindikator und Vergleichsparameter wurden die Ultraschallgeschwindigkeit und der dynamische E-Modul des Betons verwendet. Um das Potential der Schädigungserfassung im Beton mittels Ultraschallprüfung umfassender zu bewerten, wurden zusätzlich Versuche an Betonproben unter monoton steigender Belastung, Kriechversuche, Temperaturversuche und Untersuchungen an großformatigen Balken durchgeführt.