Ermüdungsverhalten von Betonstahl unter Korrosionsbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde das Ermüdungsverhalten von Betonstahl unter Korrosionsbedingungen aufgezeigt. Dazu sind unter anderem verschiedene, für die Praxis relevante Expositionen näher untersucht worden. Es konnte gezeigt werden, dass die Wöhler-Linien expositionsbedingt recht unterschiedliche Verläufe aufweisen. So führt insbesondere der Einsatz von chloridhaltigen Medien zu einer deutlichen Reduzierung der Bruchschwingspielzahl bezogen auf die Referenzmessungen an Luft. Um bei den Untersuchungen, neben den Bruchschwingspielzahlen bei den unterschiedlichen Medien, weitere Aussagen über den Einfluss der Korrosion auf das Dauerschwingverhalten von Betonstahl machen zu können, wurden bei allen Dauerschwingversuchen Risseinleitungsund Rissausbreitungsphase mit Hilfe einer geeigneten Prüftechnik getrennt voneinander erfasst. Dazu wurden im Vorfeld Versuche mit drei Prüftechniken - Hysterese-Messung, Schallemissionsanalyse, Potentialsondeverfahren - durchgeführt, welche sich insbesondere in ihrer Methodik unterschieden. Vorversuche an gekerbten Betonstahlproben ergaben, dass ein Risswachstum im Kerb beim Einsatz der Hysterese-Messung erst kurz vor dem eigentlichen Stahlversagen unzweifelhaft registriert werden kann. Bei den Untersuchungen mit der Schallemissionsanalyse und dem Potentialsondenverfahren konnte das Risswachstum im Kerb dagegen frühzeitiger registriert werden. Sie wiesen eine ähnliche Trennschärfe bzgl. der Erfassung des Risswachstums auf. Gegen einen Einsatz der Schallemissionsanalyse im Rahmen der Korrosionsermüdungsversuche sprach jedoch die hohe Anzahl von Störsignalen, die selbst bei kontrollierten Umgebungsbedingungen und im Vergleich zu den Korrosionsversuchen relativ kurzen Versuchszeiten von wenigen Tagen nur auf ein verträgliches Maß reduziert werden konnten. Das Potentialsondenverfahren hingegen zeigte bei den durchgeführten Messungen ein stabiles Langzeitverhalten. Somit wurden alle spätern Dauerschwingversuche durch Messungen mit dem Potentialsondenverfahren begleitet, um den Anteil, den die Rissausbreitungsphase am gesamten Schadensverlauf hat, zu erfassen. Entstanden sind dadurch für alle vier untersuchten Medien Wöhler-Linien mit den dazugehörigen Anriss-Linien. Die Anriss-Linie repräsentiert dabei die Linie, bei der der Riss bereits eine Tiefe von 1,0 mm erreicht hat. Die Rissausbreitung findet ab diesem Zeitpunkt ausschließlich senkrecht zur größten Normalspannung statt und wächst bei jedem Lastwechsel um einen bestimmten Betrag voran (stabiles Risswachstum). Beim Vergleich der Anriss-Linien mit den Bruch-Linien zeigt sich, dass unabhängig vom Medium die Korrosion nur einen geringen Einfluss auf die Phase der Rissausbreitung hat. Vielmehr unterscheiden sich die Ergebnisse der Versuchsreihen bezüglich der Risseinleitungsphase. Somit hat die Korrosion unter den vorliegenden Randbedingungen insbesondere einen Einfluss auf die Entstehung des Anrisses und weniger auf das Wachstum des Risses. Weiterführend wurden zusätzliche Versuche an einem Betonstahl mit einem Durchmesser von 40,0 mm durchgeführt, da die Vermutung besteht, dass bei größeren Stahldurchmessern die Bruchmechanik eine stärkere Rolle spielen könnte. Diese Vermutung beruht auf Ergebnissen aus dem Bereich des Maschinenbaus. Es zeigte sich jedoch, dass sowohl für den Verlauf von Wöhler-Linie und Anriss-Linie als auch die Werte unter den vorliegenden Randbedingungen die Risseinleitungsphase den weitaus größeren Anteil am gesamten Schadensverlauf einnimmt als die Rissausbreitungsphase. Dennoch lässt der Vergleich mit den Ergebnissen aus den vorherigen Versuchsreihen den Schluss zu, dass bei vergleichbaren Versuchparametern (Versuchsreihen unterscheiden sich nur bzgl. ihrer Prüffrequenz) das Verhältnis NA/NB weiterhin abnimmt und somit ein Anriss in Bezug auf den endgültigen Bruch früher registriert werden kann. Der Einfluss einer möglichen Wasserstoffversprödung der Betonstahloberfläche, wie sie beispielsweise bei Versuchen mit Spannstahl auftritt und im vorliegenden Fall bei einer erhöhten Härte des Randbereichs (Tempcore-Stähle) und dem Einfluss von Chloriden durchaus möglich ist, wurde nicht untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Anwendung der Schallemissionsanalyse zur Ermittlung des Risswachstums bei schwingender Beanspruchung von geripptem Bewehrungsstahl. Proc. 17. Kolloquium Schallemission der DGZfP, BB 118-CD. ISBN: 978-3-940283-19-1. Bad Schandau, 2009, 8 p
Weirich, T.; Große, C.; Gehlen, C.
- Detektion von Anriss und Rissausbreitung in Betonstählen. Proc. 50. Forschungskolloquium des DAfStb, München, DAfStb, Berlin, 2009, pp 175-182
Weirich, T.; Große, C.; Gehlen, C.
- Detection of crack initiation and crack growth in reinforcing steel. Proc. 8th fib PhD Symposium, ISBN:9788-8-778779-01-2. Lyngby, Denmark, 2010, pp 617-622
Weirich, T.
