Ermüdungsverhalten von hochfestem Beton unter Wasser

Abstract

Das Ermüdungsverhalten von Beton ist sehr komplex, auch nach mehr als 100 Jahren Ermüdungsforschung existieren Wissenslücken, die eine sichere Beurteilung des Ermüdungswiderstands erschweren. Eine solche Wissenslücke stellt der Einfluss des Wassers auf den Ermüdungswiderstand von Beton dar. Bekannt ist nur, dass der Ermüdungswiderstand unter Wasser niedriger ausfällt als in trockener Umgebung. Welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, ist unbekannt. Das Ziel dieser Dissertation ist die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von hochfestem Beton unter Wasser. Darüber hinaus sollen in der Literatur genannte Hypothesen zum Wassereinfluss überprüft und ein Modellansatz zur Beschreibung und quantitativen Abschätzung des Wassereinflusses auf das Ermüdungsverhalten im Rahmen dieser Arbeit entwickelt werden. Das Ermüdungsverhalten wird systematisch für druckschwellbeanspruchten hochfesten Beton mit konsequent unter Wasser gelagerten und geprüften zylindrischen Proben im Vergleich zu trocken gelagerten und geprüften untersucht. Betrachtet wird der Wassereinfluss für unterschiedliche bezogene Oberspannungen und Probengrößen sowie zusätzlich für einen verhinderten Wasserzutritt von außen während der zyklischen Beanspruchung. Die Auswertungen der Ermüdungsuntersuchungen fokussieren sich neben den Bruchlastwechselzahlen auf die Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklung und die dissipierte Energie. Für die Dehnung, die sich infolge der zyklischen Belastung im Ermüdungsversuch ergibt, wird angenommen, dass sie aus mechanischen, hygrischen, thermischen, elastischen, viskosen, und plastischen Anteilen besteht. Diese Dehnungsanteile werden auf den Einfluss der Wasserlagerung und Prüfung unter Wasser untersucht. Hierfür werden ergänzende Kriechversuche und Trocknungsschwindversuche durchgeführt. Der Wassereinfluss wird anhand der Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklung und der dissipierten Energie deutlich. Die Ergebnisse zeigen, dass ein erhöhter Wassergehalt im Betongefüge infolge der Lagerung und Prüfung unter Wasser und einer verminderten Austrocknungsgeschwindigkeit in trockener Umgebung zu einem beschleunigten Schädigungsfortschritt führt. Die ermittelten mittleren Bruchlastwechselzahlen werden im Zusammenhang mit Wöhlerlinien in vorhandenen Regelwerken für die Ermüdungsbemessung ausgewertet. Für hochfeste Betone wird der Ermüdungswiderstand unter Wasser durch die in den Regelwerken etablierten Wöhlerlinien nur unzureichend beschrieben. Zur Berücksichtigung des Wassereinflusses in Regelwerken wird ein Vorschlag auf Basis der eigenen und der in der Literatur dokumentierten Versuche entwickelt.

The fatigue behaviour of concrete is very complex, even after more than 100 years of fatigue research there are gaps in knowledge that prevent a reliable assessment of fatigue resistance. The influence of water to the fatigue resistance of high-strength concrete represents such a knowledge gap. It is only known that the fatigue resistance under water is sometimes significantly lower than in a dry environment. It is unknown which mechanisms are responsible for this. The aim of this dissertation is to determine fundamental insights into the fatigue behaviour of high-strength concrete under water and thus to gain a better understanding of the mechanisms taking place in the concrete structure. In this work the fatigue behaviour is investigated for high-strength concrete specimens stored and tested under water compared to dry stored and tested specimens. The influence of water is considered for different related compressive stress levels and sample sizes as well as an additional prevented water entry during cyclic loading. Fatigue analysis evaluations focussed on strain and stiffness development and the dissipated energy. It is assumed that the strain which is accumulated while fatigue loading is composed of elastic, viscous, thermal, hygric and plastic components. These components are examined for the influence of water storage and testing under water. For this additional creep tests and drying shrinkage tests are necessary. The influence of the water is shown by the strain and stiffness development as well as the dissipated energy. The results show that increased water content in the concrete structure because of underwater storage, testing and reduced drying rate in a dry environment resulted in accelerated damage progression. The average numbers of cycles to failure is evaluated in connection with SN curves in existing regulations for fatigue design. The fatigue resistance of the high-strength concrete under water is insufficiently described by the SN curves in established standards. Based on own results as well as results documented in literature a recommendation is developed on how the water influence can be considered in existing regulations. Furthermore a damage model is developed for the quantitative assessment of the influence of water on the fatigue resistance of the high-strength concrete.