Ermüdung von UHPC unter ein- und mehraxialer Beanspruchung

(Experimentelle Untersuchung und Entwicklung eines mechanischen Modells)

Ultra-hochfester Beton (UHPC)

 Die baustofflichen Vorteile und Besonderheiten von ultra-hochfestem Beton (UHPC) führen zu konstruktiven Lösungen, die durch ein wesentlich geringeres Eigengewicht und durch aufgelöste Strukturen gekennzeichnet sind. Solche Strukturen sind damit erheblich anfälliger für dynamische Anregungen und Ermüdungsbeanspruchungen als übliche Massivbauten. Da bei UHPC- Konstruktionen sowohl vorwiegend einaxiale Beanspruchungen in stabförmigen Bauteilen als auch mehraxiale Ermüdungsbeanspruchungen in kompakten Bauteilen sowie bei Einleitung konzentrierter Kräfte auftreten, ist es das Ziel dieses Forschungsvorhabens, das Ermüdungsverhalten von UHPC unter ein- und mehraxialer Beanspruchung experimentell und analytisch zu untersuchen. Dazu sollen durch Auswertung von Hauptmeridianversuchen (rotationssymmetrische Spannungs- und Verzerrungszustände) die Parameter für ein räumliches mechanisches Modell für UHPC mit anisotroper Schädigung bestimmt werden.

Dreiphasenmodell für UHPC

 Im entwickelten Dreiphasenmodell werden sowohl sprödes als auch duktiles Baustoffverhalten durch charakteristische Verläufe der Hauptmeridiane, insbesondere des Druckmeridians der Bruchumhüllenden beschrieben. Die anisotrope Ermüdungsschädigung wird im Hauptspannungsraum durch unterschiedliche Schädigungsraten für den Zug- bzw. Druckmeridian berücksichtigt.

Das Arbeitsprogramm orientiert sich an dem Dreiphasenmodell für die zu erwartenden Versagenszustände.

Bild 1: Hauptmeridiane im Dreiphasenmodell für UHPC

Mehraxiale monotone Beanspruchung

Der Einfluss von mehraxialen Beanspruchungen auf die Ermüdungsfestigkeit von UHPC wird durch die gezielte experimentelle Untersuchung der Zug- und Druckmeridiane erfasst. 

Von besonderem Interesse für das entwickelte Dreiphasenmodell sind die Hauptmeridianbeanspruchungszustände. Um den Verlauf des Druckmeridians mit dem Dreiphasenmodell zu beschreiben, werden zunächst Versuche unter statischer Beanspruchung später unter dynamischer Beanspruchung mit Axialdruck und rotationssymmetrischem Querdruck bzw. Querzug durchgeführt. 

Auf dem Druckmeridian befinden sich die Spannungszustände mit überwiegend Druckbeanspruchung in axialer Richtung und rotationssymmetrischen Querspannungszuständen. Die einaxiale Druckfestigkeit teilt den Druckmeridian in zwei Bereiche, in denen die Querbeanspruchung unterschiedliche Vorzeichen hat (vgl. Abbildung 1). Eine ausführliche Beschreibung zum entwickelten Versuchsaufbau zur experimentellen Ermittlung des Druckmeridianverlaufs unter monotoner Beanspruchung ist [Grünberg et al.-07] zu entnehmen.

Einaxiale dynamische Untersuchungen

 Zunächst werden einaxiale Druckschwellbeanspruchungen betrachtet, bei denen das Ermüdungsverhalten von UHPC im Bereich des High-Cycle-Fatigue untersucht wird. Die Untersuchungen werden an zwei Referenz - UHPC - Mischungen durchgeführt.

Hierzu werden verschiedene Oberspannungsniveaus für zwei Unterspannungen mit jeweils mindestens 6 Probekörpern belegt. Diese Probekörper werden bis zum Bruch geprüft, bei Durchläufern werden Reststeifigkeit und -tragfähigkeit ermittelt.

Aus diesen Untersuchungen werden Wöhlerlinien ermittelt. Abbildung 2 zeigt den aktuellen Stand der Wöhlerkurven für ultra-hochfesten Beton mit konstanter Unterspannung von 5 % der mittleren statischen Druckfestigkeit. Der Vergleich der Ergebnisse mit dem Ermüdungsverhalten von Normalbeton zeigt ein deutlich anderes Verhalten.

Bild 2: Wöhlerlinien für UHPC [Grünberg et al.-07]

Mehraxiale dynamische Untersuchungen

Die Ergebnisse aus den einaxialen Wöhlerlinien werden in das Dreiphasenmodell übertragen. Hierzu werden für unterschiedliche Schwingspielzahlen die Spannungsschwingweiten für die einaxiale Beanspruchung auf der s33-Achse angetragen. Auf diese Weise ergeben sich erste Punkte für die Schädigungskurvenschar. Analog lassen sich auch Wöhlerlinien für die Spannungszustände auf den Hauptmeridianen ermitteln, die auch in das Dreiphasenmodell übertragen werden. Mit diesen Wöhlerlinien für verschiedene Lastpfade (s11/s33 = s22/s33 = const.) lässt sich dann die Kurvenschar mit Hauptmeridianen gleicher Ermüdungsfestigkeit abbilden (Abbildung 3).

Bild 3: Erweiterung des Dreiphasenmodells unter Ermüdungsbeanspruchung

Danksagung

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Institut für Baustoffe der Leibniz Universität durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Schwerpunktprogramm 1182: "Nachhaltiges Bauen mit UHPC" gefördert.

Literatur

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