Experimentelle Untersuchungen von Beton im sehr hohen Lastwechselbereich als Grundlage für die Modellierung des Ermüdungsverhaltens unter Berücksichtigung viskoser und zyklisch bedingter Dehnungsanteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Dehn
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504102079

Die Lebensdauer von Tragwerken im konstruktiven Ingenieurbau wird im zunehmenden Maß neben statischen auch durch zyklische Einwirkungen, die ein Ermüdungsversagen bedingen können, dominiert. Beton kommt als meistgenutztem Baustoff im Hoch-, Tief- und Ingenieurbau eine wesentliche Bedeutung zu. Fundierte Kenntnisse zu ertragbaren Lastwechselzahlen von druckschwellbeanspruchtem Beton beschränken sich aktuell auf den sogenannten Low Cycle-Fatigue (LCF)-Bereich bis N = 10^5 sowie den sogenannten High-Cycle-Fatigue (HCF)-Bereich bis N = 10^7. Ermüdungsvorgänge mit Lastwechselzahlen N > 10^7 werden formal dem sogenannten Very-High-Cycle-Fatigue (VHCF)-Bereich zugeordnet und sind bisher nahezu unerforscht. Das Forschungsvorhaben beinhaltet eine detaillierte und grundlegende Betrachtung von Ermüdungsvorgängen im Beton im sehr hohen Lastwechselbereich unter Betrachtung eines additiven Dehnungsmodellansatzes. Es werden elastische, viskose, schädigungsinduzierte und thermische Dehnungsanteile anhand zyklischer Belastungsversuche im VHCF-Bereich durch eine Kombination aus gezielt abgestimmten Kriech- und Schwinduntersuchungen sowie Temperaturmessungen quantifiziert. Die Dehnungsanteile werden dabei nicht vollkommen unabhängig voneinander betrachtet, da die erfasste Probenerwärmung in den VHCF-Versuchen als äußere Umgebungstemperatur in den HCF- sowie Kriech- und Schwinduntersuchungen explizit mitberücksichtigt wird. Durch den Einsatz einer hochfrequenten Prüftechnik können Erkenntnisse zeitlich gerafft erzielt, sodass Lastwechselzahlen N > 10^7 realisiert werden können. Es erfolgt eine detaillierte Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Beton auf drei unterschiedlichen Spannungsniveaus mit Prüffrequenzen von f = 1 Hz bis f = 150 Hz mit einer aussagekräftigen Anzahl an Versuchsergebnissen. Zur Anbindung der Untersuchungsergebnisse an Ermüdungsvorgänge in niederfrequent beanspruchten Beton werden gezielte Untersuchungen im HCF-Bereich ergänzend durchgeführt. Mögliche Einflüsse durch Skalierungseffekte werden durch die parallele Untersuchung zwei unterschiedlicher Probengrößen erfasst. Die umfangreichen Untersuchungen ermöglichen erstmalig Grundlagenkenntnisse im VHCF-Bereich von Beton zu erhalten und die Anbindung zwischen Erkenntnissen aus zeitgerafften, hochfrequenten und niederfrequenten Ermüdungsuntersuchungen zu realisieren. Dies stellt die Grundlage dar, das Ermüdungsverhalten von Beton auf Basis der jeweiligen Dehnungsanteile im VHCF-Bereich zu verstehen, in einer versuchstechnisch abgesicherten Modellierung zu verankern und zukünftig für die Bemessung nutzen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen