Interface damage mechanism between concrete layers under temperature loads

Abstract

Beton-Beton-Verbundfugen werden in Baukonstruktionen häufig verwendet, beispielsweise zwischen Betonfertigteilen und Ortbetonelementen oder zwischen alten und neuen Betonelementen. Betonelemente erfahren Temperaturschwankungen sowie Kriech- und Schwindenverformungen, welche aufgrund der durch die Beton-Beton-Verbundfugen ausgeübten Beschränkungen zu Spannungen führen. Hohe Scher- und Zugspannungen an den Kanten von Trägern oder Platten führen zum Versagen der Verbundfuge. Dieses Phänomen tritt beispielsweise in der Festen Fahrbahn im Eisenbahnwesen auf. An der Grenzfläche zwischen der Betonfertigteilplatte und der Mörtelfüllschicht entstehen mitunter Risse und Lücken. Dieses Phänomen verringert die Dauerhaftigkeit der Struktur, erhöht die Wartungskosten und verursacht Sicherheitsrisiken. Daher ist eine theoretische Untersuchung des Versagensmechanismus in der Verbundfugen für den praktischen Entwurf erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, den Versagensmechanismus von Beton-Beton-Verbundfugen unter Temperatureinwirkungen zu untersuchen. Als Grundlage dient das Beispiel des kontinuierlichen Festen Fahrbahn Systems der Firma Max Bögl. Es wird ein experimentelles Programm in Kombination mit einer inversen Analyse entwickelt, um die Brucheigenschaften von Grenzflächen zwischen Beton und Zement-Asphalt-Mörtel (CAM) zu erhalten. Für die inverse Analyse werden hierzu Finite Element Modellen (FEM) erstellt. Zentrische Zugversuche für Modus I und Scherversuche für Modus II werden durchgeführt. Aufgrund des ungleichmäßigen Spannungszustands an der Verbundfuge wird die inverse Analyse verwendet, um die Experimente zu kalibrieren. Mit dessen Hilfe werden die Spannungs- und Verschiebungsbeziehungen in Modus I und Modus II ermittelt, die das konstitutive Modell der Verbundfuge bilden. Anschließend wird das Verhalten der Verbundfuge in Längsrichtung unter konstanter Temperaturänderung und in Vertikalrichtung unter linear veränderlichem Temperaturgradient mittels analytischer Lösungen in einer Dimension (1D) und Finite-Elemente-Lösungen in zwei (2D) und drei Dimensionen (3D) mit Federelementen oder Kontaktbasierten Kohäsionszonenmodell (CZM) erforscht. Die analytischen Modelle werden mit dem 1D FE Modell validiert. Es hat sich gezeigt, dass die analytische Lösung für das Verhalten der Verbundfuge in Längsrichtung bei konstanter Temperaturveränderung im Vergleich zur FEM die ungünstigsten Ergebnisse hinsichtlich des Verbundversagens liefert. Die Ergebnisunterschiede zwischen verschiedener Modelle werden kleiner, wenn Schäden an der Verbundfuge auftreten. Im Gegensatz hierzu kann für die Verhalten der Verbundfugen in Vertikalrichtung unter linear veränderlichem Temperaturgradient ein äquivalentes 3D-Modell auf der Basis einer analytischen Lösung entwickelt werden, das ähnliche Ergebnisse wie die 3D-FEM liefert. Schließlich werden die Einflüsse verschiedener Verbundparameter der Fuge wie Haftfestigkeit und Steifigkeit auf die Fugenschädigung untersucht. Um geeignete Empfehlungen für den Entwurf der Verbundfugen zu geben, werden geometrische Parameter der Platte (z. B. Plattenlänge, -breite und -dicke) sowie Verbundparameter der Fuge für die Grenzzustandsstudien zur Gebrauchstauglichkeit implementiert. In diesem Fall bleibt die Verbundfuge in linear elastische Phase ohne Verbundversagen unter extremen Temperatureinwirkungen.