Ermüdungsverhalten von Stahlbeton unter überwiegender Druckbeanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr. Rostislav Chudoba; Professor Dr.-Ing. Josef Hegger
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533471030

In den letzten Jahrzehnten hat die Ermüdung von Beton unter überwiegender Druckbeanspruchung an Bedeutung gewonnen, insbesondere bei neuen Baukonstruktionen, bei denen Beton höheren Spannungsniveaus und höheren Lastwechselzahlen im Vergleich zu traditionellen Anwendungen ausgesetzt wird. Während sich die aktuelle Forschung zur Betonermüdung hauptsächlich auf Zustände in gleichmäßigen, ungestörten Spannungsfeldern konzentriert, wie sie in Zylinderdruckversuchen vorherrschen, verdeutlichen Erfahrungen aus der Praxis, dass realistische Vorhersagen der Ermüdungslebensdauer von Bauwerken auch die Auswirkungen ungleichmäßiger Spannungsverteilungen erfordern. Diese Ungleichmäßigkeit führt zur lokalen Schädigung rund um die Bewehrungsstäbe und damit zu einer erheblichen Verringerung der erwarteten Bauwerkslebensdauer. Das Hauptziel dieses Vorhabens ist es, den Einfluss der Bewehrung auf das Ermüdungsverhalten von Stahlbeton zu erfassen. Dabei werden im ersten Schritt die störenden Auswirkungen einer quer zur Druckbeanspruchung liegenden Bewehrung berücksichtigt. Darüber hinaus wird dann die Auswirkung der Bewehrungsorientierung in Bezug auf die dominante Spannungsrichtung in der umgebenden Betonmatrix untersucht. Unter Berücksichtigung des zeitabhängigen Betonverhaltens (Schwinden, Kriechen) sollen die ermüdungswirksammen Schädigungsmechanismen in kritischen Bereichen von Konstruktionen untersucht werden, die mehreren Millionen Lastzyklen ausgesetzt sind, wie z. B. bewehrte und vorgespannte Brücken und Betontürme von Windkraftanlagen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in diesem neue physikalisch und thermodynamisch konsistente numerische Modellierungsansätze mit einer systematischen experimentellen Untersuchung auf der Materialebene kombiniert. Erweiterte experimentelle Charakterisierungsmethode werden konzipiert, um die Mechanismen der Ermüdungsentwicklung zu isolieren, die durch die Interaktion zwischen Stahlbewehrung und Beton beeinflusst werden. Der kombinierte experimentelle und numerische Ansatz wird die Beschreibung der Wechselwirkung zwischen triaxialer ermüdungsinduzierter Spannungsumlagerung und zeitabhängigem Materialverhalten bei der Ermüdung von Stahlbetonbauteilen ermöglichen. Die Forschungsergebnisse dienen als Grundlage für eine verbesserte Prognose des Ermüdungsverhaltens für Bereiche, in denen die Bewehrung ein ungleichmäßiges Spannungsfeld erzeugt. Das gewonnene Wissen wird zur Verbesserung von Konstruktions- und Bemessungsregeln führen, sodass der Einfluss spezifische Spannungskonfigurationen realistisch berücksichtigt wird. Um eine zuverlässige Vorhersage der Ermüdungslebensdauer bei variablen Amplituden zu erzielen, wird basierend auf dem tieferen Verständnis eine Erweiterung der Palmgren-Miner-Regel vorgeschlagen, die den Reihenfolgeeffekt zutreffender beschreiben kann. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Nachhaltigkeit von Betonkonstruktionen durch Verlängerung der Ermüdungslebensdauer zu erhöhen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Abedulgader Baktheer