Analyse des Ermüdungsverhaltens von Beton anhand der Dehnungsentwicklung

Abstract

Die Weiterentwicklungen in der Betontechnologie führten in den letzten Jahrzehnten zu Hochleistungsbetonen mit immer höheren Festigkeiten. Der Ermüdungsnachweis wurde jedoch kaum weiterentwickelt und beinhaltet immer noch sehr grobe Herangehensweisen bei der Berücksichtigung des Materialwiderstands von Beton. Für eine grundlegende Weiterentwicklung dieses Nachweises fehlt noch das notwendige Wissen zu den Mechanismen der Betonermüdung. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, grundlegende Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten hochfester Betone bei unterschiedlichen zyklischen Beanspruchungen zu ermitteln und hierdurch zu einem besseren Verständnis der Mechanismen der Betonermüdung beizutragen. In der vorliegenden Arbeit wurde das Ermüdungsverhalten eines hochfesten Betons bei Druckschwellbeanspruchung anhand der Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklungen untersucht. Betrachtet wurden dabei die Einflüsse der bezogenen Oberspannung, der Belastungsfrequenz und der Wellenform. Zusätzlich wurden, ausgehend von in der Literatur dokumentierten Ansätzen, Versuche bei monoton steigender Beanspruchung und Dauerstandbeanspruchung vergleichend durchgeführt. Die Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklungen werden durch die untersuchten Belastungsparameter der Ermüdungsbeanspruchung eindeutig beeinflusst. Charakteristische Zusammenhänge zwischen der Beeinflussung einzelner Kenngrößen der Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklung und der Beeinflussung der Bruchlastwechselzahlen wurden aufgezeigt. Anhand der Dehnungen und Steifigkeiten an den Phasenübergängen konnten Hinweise auf beanspru-chungsartabhängige Gefügezustände abgeleitet werden. Die vergleichende Auswertung des Dehnungsverhaltens bei monoton steigender Beanspruchung, Ermüdungsbeanspruchung und Dauerstandbeanspruchung zeigte, dass das Ermüdungsverhalten von Beton nicht adäquat in Anlehnung an andere Beanspruchungsarten beschrieben werden kann. Die Untersuchungsergebnisse wurden in eine Modellvorstellung übertragen, die zur Beurteilung der baustofflichen Phänomene bei zyklischen Beanspruchungen geeignet ist. Dabei wurde die Hypothese aufgestellt, dass sich unterschiedlich ausgeprägte Kleinst-Gefügeveränderungen beanspruchungsabhängig einstellen, die die Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung der Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklungen führte zu neuen und tiefergehenden Erkenntnissen und sollte ergänzt durch die Betrachtungen von Gefügezuständen zukünftig weiterverfolgt werden.

The developments in concrete technology in recent decades have led to high-performance concretes with ever increasing strength. However, the fatigue design aspects over the same period have hardly been developed and still involve very rough estimations in their consideration of the resistance of concrete. The fundamental lack of understanding of the mechanisms of concrete fatigue is the main inhibiting factor in further advancing fatigue design. This paper, therefore, aims at gaining fundamental knowledge concerning the fatigue behaviour of high-performance concretes subjected to various fatigue loadings, thereby contributing to the general understanding of their fatigue mechanisms. To do this, the behaviour of a high-performance concrete under pure compressive fatigue loading was examined at a fundamental level on the basis of the development of strain and stiffness. The investigation involved the analysis of three influences on the fatigue behaviour of concrete – the maximum stress level, the loading frequency and the waveform. In addition, tests with monotonically increasing loads and with sustained loads were performed in a comparative manner following approaches documented in the literature. The development of strain and stiffness are measurably affected by the load parameters studied. Characteristic relationships between the influence on the individual parameters of developments of strain and stiffness and on changes in the numbers of cycles to failure were developed. Indications of load type-dependent states of the material could be derived on the basis of different strain fractions of the total strain at the transition of stages. A comparative evaluation of the strain development in static short-term loading, fatigue loading and static long-term loading showed that the fatigue behaviour of concrete cannot be adequately described based on the strain behaviour of these other two types of loading. The findings of the investigations were transferred to a model concept which is applicable to the assessment of material-specific phenomena related to fatigue loading and other types of loading. This enabled the derivation of a hypothesis that tiny structural changes, which are variously pronounced depending on the type of loading, affect the formation and expansion of microcracks as ambient conditions. The detailed investigation of concrete fatigue on the basis of the developments of strain and stiffness led to new and deeper knowledge and should be further pursued in future research in the subject area by additionally investigating different states of microstructure.