Untersuchungen zum Ermüdungswiderstand von Beton im Bereich sehr hoher Lastwechselzahlen

Abstract

Die Lebensdauer von Tragwerken im konstruktiven Ingenieurbau wird in zunehmendem Maße neben statischen auch durch zyklische Einwirkungen dominiert, die letztlich ein Ermüdungsversagen bedingen können. Beton kommt als meistgenutztem Baustoff im Hoch-, Tief- und Ingenieurbau eine wesentliche Bedeutung zu. Fundierte Kenntnisse zu ertragbaren Lastwechselzahlen N von druckschwellbeanspruchtem Beton beschränken sich aktuell auf den sogenannten Low-Cycle-Fatigue (LCF)-Bereich bis N = 105 sowie den sogenannten High-Cycle-Fatigue (HCF)-Bereich bis N = 107 . Ermüdungsvorgänge mit Lastwechselzahlen N > 107 werden formal dem sogenannten Very-High-Cycle-Fatigue (VHCF)-Bereich zugeordnet und sind bisher kaum erforscht. Diese Kenntnislücken betreffen insbesondere auch Windenergieanlagen aus Stahl- und Spannbeton, die sehr hohen Lastwechselzahlen während ihrer Lebensdauer ausgesetzt sind. Das Verbundforschungsprojekt „WinConFat - Materialermüdung von On- und Offshore Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung“ beinhaltet mit dem Teilvorhaben 1.4 „Beton unter sehr hohen Lastwechselzahlen“ systematische Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von Beton im Bereich hoher und sehr hoher Lastwechselzahlen. Druckschwelluntersuchungen im HCF-Bereich und erstmals auch gezielte Untersuchungen im VHCF-Bereich wurden an Beton dreier verschiedener Festigkeitsklassen versuchstechnisch umgesetzt. Zur Realisierung sehr hoher Lastwechselzahlen wurden für einen Hochfrequenzpulsator schwingfähige Adaptionen entwickelt, um Betonzylinder gezielt mit Belastungsfrequenzen von f ≈ 65 Hz und f ≈ 130 Hz beanspruchen und damit Ermüdungsuntersuchungen zeitlich gerafft realisieren zu können. Die Versuche erfolgten unter kontinuierlicher Erfassung der Dehnungs- und Temperaturveränderung der beanspruchten Betonproben. Die im Rahmen der VHCF-Versuche identifizierte Probenerwärmung war die Grundlage zur Festlegung von zwei erhöhten Temperaturniveaus, unter denen Betonzylinder im HCF-Bereich beansprucht wurden. Die bezogenen Ober- und Unterspannungen wurden für alle zyklischen Untersuchungen einheitlich definiert. Zur Einschätzung des Einflusses eines dauerhaft einwirkenden Spannungsanteiles innerhalb eines zyklischen Druckschwellversuchs wurden zudem ergänzend Dauerstanduntersuchungen durchgeführt. Auf Basis der Versuchsergebnisse dieses Teilvorhabens ließen sich für den HCF- und erstmals auch für den VHCF-Bereich mögliche Einflussfaktoren auf die Ermüdungsfestigkeit von Beton unter Druckschwell- beanspruchung identifizieren. Diese können die Grundlage für ein versuchstechnisch verifiziertes Ingenieurmodell zur Ermüdungsfestigkeit von Beton im hohen und sehr hohen Lastwechselbereich bilden. Die im Rahmen des Teilvorhabens 1.4 erkannten Wissenslücken zum Ermüdungsverhalten von Beton im VHCF- Bereich zeigen, dass insbesondere Ermüdungsversuche mit sehr hohen Lastwechselzahlen im Fokus zukünftiger wissenschaftlicher Untersuchungen stehen müssen, um die Lebensdauer von Tragwerken letztlich verlässlich optimieren und bemessen zu können