Hochfrequentes Belastungs- und Messsystem für Ermüdungsversuche an großen Bauteilen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Gegensatz zur sonst üblichen Vorgehensweise bei der Beschaffung von Großgeräten (Kauf eines kommerziell entwickelten Geräts) wurde das Gerät am IFMA komplett in Eigenleistung entwickelt und gebaut, da ein solches Gerät am Markt nicht verfügbar ist. Das Gerät wurde für Ermüdungsuntersuchungen an großen biegebeanspruchten Bauteilen konzipiert. Begonnen wurde mit der Entwicklung einer Beanspruchungsund Messkonfiguration für Eisenbahnschienen mit einer Spannweite von 1,90 m. Hierfür wurde ein Schwingsystem (Prüfkörper als Einfeldträger mit mittiger vertikaler Federvorspannung und zusätzlicher Masse) und eine zugehörige automatisierte Regelung entwickelt, um im Bereich der Bauteileigenfrequenzen (ca. 21 Hz) Ermüdungsuntersuchungen bis zum Bruch der Schienen durchzuführen. Mit diesem Resonanzschwingsystem werden die Ermüdungswiderstände von 100 Schienen des Walzprofils 60E2 für Hochgeschwindigkeitseisenbahnstecken auf unterschiedlichen Beanspruchungsniveaus und damit korrelierten Bruchlastwechselzahlen untersucht. Die ersten Untersuchungen benötigten mit sämtlichen Voreinstellungen und Unwägbarkeiten noch mehrere Monate. Derzeit befinden sich zwei Schienenresonanzversuchsstände im Regelbetrieb. Die Ermüdungsversuche werden mit einer Belastungsfrequenz von ca. 20 Hz bis zu einer Grenzlastwechselzahl von 5∙106 durchgeführt. Dabei dauert ein Versuch ca. drei Tage. Während des Betriebs eines Schienenresonanzversuchsstands wird der zweite mit einem neuen Probekörper bestückt und für den nachfolgenden Versuch vorbereitet. Sobald der Versuch im ersten Schienenresonanzversuchsstand beendet ist, wird der zweite Schienenversuch gestartet. Somit wird ein kontinuierlicher Versuchsbetrieb realisiert. Bis Ende 2016 wurden 55 Schienen getestet. Derzeit werden mehrere Schienen mit einer Grenzlastwechselzahl von 50 Mio. getestet. So hohe Lastwechselzahlen wurden in Schienenversuchen bisher noch nie erreicht. In einem zweiten Versuchsstand auf dem Spannfeld ist ein ca. 9,00 m langer vorgespannter Betonbalken installiert. Dieser wird ebenfalls durch Unwuchterreger in Schwingung versetzt. Das Ziel dieser Untersuchungen besteht im Vergleich zu den o. g. Stahlschienen nicht darin, die bis zum Bruch ertragbaren Lastwechselzahlen der Prüfkörper zu ermitteln. Vielmehr wird an diesem Versuchsstand das Material- und Bauteilverhalten unter dynamischer Beanspruchung grundlegend analysiert. Hierbei werden die Beanspruchungsumlagerungen (Betonspannungsumlagerung von den hochbeanspruchten Randbereichen in das Bauteilinnere hinein) messtechnisch erfasst und analysiert. Das untersuchte Bauteil besteht aus jeweils zwei in Feldmitte eingebauten Prüfkörpern und wiederverwendbaren Randelementen. Die Randelemente sind mit den Prüfkörpern durch eine Vergussfuge, die mit hochfestem Betonmörtel verfüllt ist, verbunden und alle Betonbauteile sind durch externe Spannglieder gegeneinander verspannt. Von den eigentlichen Prüfkörpern wurden zehn Stück hergestellt, wobei jeweils zwei in einem Versuchsablauf getestet werden. Bis Ende 2016 wurden zwei Betonbalken mit insgesamt vier Prüfkörpern getestet. Die Versuchsdurchführung ist langwieriger als bei den Schienen, da zum einen das Materialverhalten der Betonbalken differenzierter in der Regelung der Versuche zu berücksichtigen ist. Zum anderen ist der ca. 9,00 m lange Betonbalken mit deutlich umfangreicherer Messtechnik versehen, die für die vorherrschenden Prüfbedingungen erstmalig erprobt und eingesetzt wurde. Ende 2016 wurde außerdem ein Stahlbetonträger getestet, der eine Bruchlastwechselzahl von 130 Mio. erreichte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2015): Großgerät für Ermüdungsversuche an der Leibniz Universität Hannover. VSVI-Seminar 12/2015 „Brücken- und Ingenieurbau“ am 24. März 2015, TU Braunschweig
Marx, S. Herrmann, R.
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(2016): A Resonance Based Fatigue Testing Facility for very high cycle fatigue. COST Action TU1207 „Next Generation Design Guidelines for Composites in Construction“, Plenary Meeting: 4-6 April 2016, Lodz, Polen
Marx, S.
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(2016): Development of stiffness and ultrasonic pulse velocity of dynamically loaded concrete. Structural Concrete
von der Haar, C.; Marx, S.
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(2016): Fatigue behaviour of a normal-strength concrete – number of cycles to failure and strain development. Structural Concrete
Hümme, J.; von der Haar, C.; Lohaus, L.; Marx, S.
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(2016): Structural behavior of concrete elements under fatigue loading. First China-Germany Forum on Development and Challenge of High-speed Railway Bridge. 7.-11.11.2016, Changsha, China
Hansen, M.
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Längskraftabtragung auf Eisenbahnbrücken – Teil 2: Hintergründe des Nachweises. Bautechnik 93 (2016), Heft 7, Ernst & Sohn, Berlin, S. 470-481
Wenner, M.; Lippert, P.; Plica, S.; Marx, S.
