Frequenzabhängigkeit des Ermüdungswiderstandes von hochfestem Beton

Abstract

Der Ermüdungswiderstand von hochfestem Beton weist eine divergierende Abhängigkeit von der einwirkenden Belastungsfrequenz auf. Auf hohen Oberspannungsniveaus von Smax > 0,75 führen höhere Belastungsfrequenzen zu höheren Bruchlastwechselzahlen. Auf niedrigeren Oberspannungsniveaus wurde wiederholt eine Umkehr dieses Einflusses beobachtet. Höhere Belastungsfrequenzen führen in diesem Fall zu geringeren Bruchlastwechselzahlen. Bisher existierende Materialmodelle können dieses Materialverhalten nicht abbilden, wodurch die Vergleichbarkeit von verschiedenfrequenten Ermüdungsuntersuchungen sowie die Übertragbarkeit von Laborergebnissen auf reale Beanspruchungssituationen erschwert werden.

In der vorliegenden Arbeit wird die frequenzabhängige Entwicklung der Bruchlastwechselzahlen von hochfestem Beton betrachtet. Dabei wird von den Hypothesen ausgegangen, dass die einwirkende Spannungsgeschwindigkeit und die im Probekörper entstehende Temperatur den internen Schädigungsprozess beeinflussen. Höhere Spannungsgeschwindigkeiten reduzieren die Schädigungsprogression wohingegen höhere Temperaturen diese beschleunigen. Um diese Hypothesen versuchstechnisch zu überprüfen, wurden verschiedenfrequente Ermüdungsversuche mit und ohne Belastungspausen durchgeführt. Mithilfe der Belastungspausen wurden die Probekörpertemperaturen der höherfrequenten Versuche an die der ununterbrochenen niederfrequenten Versuche angeglichen. Die Versuchsergebnisse unterstützen letztlich die formulierten Hypothesen und dienen für eine anschließende makroskopische Modellbildung.

Auf Grundlage dieser Versuchsergebnisse werden frequenzabhängige Wöhlerlinien entwickelt, die den zeitinvarianten Einfluss der Spannungsgeschwindigkeit und den zeitvarianten Einfluss der Temperatur auf die internen Schädigungsprozesse in sich vereinen. Diese Wöhlerlinien sind in der Lage, den divergierenden Einfluss der Belastungsfrequenz auf die Bruchlastwechselzahlen und somit deren frequenzbedingten Streubereich abzubilden. Um in zukünftigen Ermüdungsversuchen insbesondere die Entwicklung des thermischen-induzierten Schädigungsprozess zu begrenzen, werden zulässige Belastungsfrequenzen und Temperaturerhöhungen vorgeschlagen. Da Beton in realen Tragwerken mit geringeren Belastungsfrequenzen beansprucht wird als in den vorgeschlagenen Versuchskonzepten bzw. in gewöhnlichen Laborversuchen, wurde die Notwendigkeit der frequenzbedingten Reduktion der normativen Bemessungsdruckfestigkeit unter Ermüdungsbeanspruchungen fcd,fat untersucht und bestätigt.