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Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

3. Jahrestagung des DAfStb, 12.11.2015Prof. Dr.-Ing. Steffen MarxDipl.-Ing. Sebastian Schneider

Seite 2Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Dynamisch beanspruchte Bauwerke

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Wöhlerlinien für druckschwellbeanspruchten Beton

CEB-FIP Model Code 1990 fib Model Code 2010

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 3 6 9 12 15 18

bez.

Ober

span

nung

Scd

,max

= σ c

d,m

ax / f

cd,fa

t

Lastwechselzahl log N

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

bez.

Unte

rspa

nnun

g S c

d,m

in = σ c

d,m

in / f

cd,fa

t0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 3 6 9 12 15 18

bez.

Ober

span

nung

Scd

,max

= σ c

d,m

ax / f

cd,fa

t

Lastwechselzahl log N

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

bez.

Unte

rspa

nnun

g S c

d,m

in = σ c

d,m

in / f

cd,fa

t

Scd,max

= ⁄σcd,max

fcd,fat

Bezogene Oberspannung:

Scd,min

= ⁄σcd,min

fcd,fat

Bezogene Unterspannung:

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Bemessungsdruckfestigkeit unter Ermüdungsbeanspruchungen fcd,fat

fcd,fat nach Model Code 1990: fcd,fat nach Model Code 2010:

0,85 : Berücksichtigung der abweichenden Belastungsfrequenzfck : Charakteristische Betondruckfestigkeitγc = γc,fat = 1,5 : Teilsicherheitsbeiwert für Beton

αcd,fat : Beiwert zur Berücksichtigung des Festigkeitseinflusses

fcd,fat

= 0,85 ∙ βcc

t ∙fckγ

c

∙ 1 −fck

250fcd,fat

= 0,85 ∙ βcc

t ∙fck

γc,fat

∙ 1 −fck

400

αcd,fat

αcd,fat

Seite 5Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

f cd,fa

t[MPa

]

fck [MPa]

αfat

MC 2010

MC 1990

fcd

Auswirkung von αcd,fat auf fcd,fat

34,0

αcd,fat

= 1−fck

400

αcd,fat

= 1−fck

250

MC 2010:

MC 1990:

35,5

Seite 6Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

f cd,fa

t[MPa

]

fck [MPa]

αfat

MC 2010

MC 1990

fcd

Auswirkung von αcd,fat auf fcd,fat

34,0

αcd,fat

= 1−fck

400

αcd,fat

= 1−fck

250

MC 2010:

MC 1990:

42,5

Seite 7Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

bez.

Ober

span

nung

Sc,m

ax= σ

c,max

/ fc

Lastwechselzahl log N

MC 2010, Sc,min = 0,2VersuchswöhlerlinieMC 1990, Sc,min = 0,2

Ermüdungsversuche an Beton C 100/115

Seite 8Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

0102030405060708090

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Bem

essu

ngso

bers

pann

ung σ

c,max

[MPa

]

Lastwechselzahl log N

MC 2010, Sc,min = 0,2 (bezogen auf fck)MC 1990, Sc,min = 0,2 (bezogen auf fck)

MC 1990, Scd,min = 0,2 und fcd,fat = 34 MPaMC 2010, Scd,min = 0,2 und fcd,fat = 42,5 MPa

Ermüdungsversuche an Beton C 100/115

Seite 9Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

0102030405060708090

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Bem

essu

ngso

bers

pann

ung σ

c,max

[MPa

]

Lastwechselzahl log N

MC 2010, Sc,min = 0,2 (bezogen auf fck)MC 1990, Sc,min = 0,2 (bezogen auf fck)

MC 1990, Scd,min = 0,2 und fcd,fat = 34 MPaMC 2010, Scd,min = 0,2 und fcd,fat = 42,5 MPa

Ermüdungsversuche an Beton C 100/115

61,3 MPa

20,9 MPa

Seite 10Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

0102030405060708090

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Bem

essu

ngso

bers

pann

ung σ

c,max

[MPa

]

Lastwechselzahl log N

MC 2010, Sc,min = 0,2 (bezogen auf fck)MC 1990, Sc,min = 0,2 (bezogen auf fck)

MC 1990, Scd,min = 0,2 und fcd,fat = 34 MPaMC 2010, Scd,min = 0,2 und fcd,fat = 42,5 MPa

Ermüdungsversuche an Beton C 100/115

29,8 MPa

70,0 MPa

61,3 MPa

20,9 MPa

Seite 11Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Weitere Fragestellungen zur Betonermüdung

Einfluss der Belastungsfrequenz

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 1 2 3 4 5

bezo

gene

Obe

rspa

nnun

g S m

ax[-]

Lastwechselzahl log N [-]

f = 0,1 Hz f = 1 Hz f = 10 Hz

(Oneschkow 2014)

Seite 12Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Weitere Fragestellungen zur Betonermüdung

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 2 4 6 8 10log N [-]

S cd,

max

[-]

Lastwechselzahl log N [-]

bez.

Obe

rspa

nnun

g S

max

[-]

Ermüdungsfestigkeit im Very-High-Cycle Fatigue Bereich (N > 107)

Seite 13Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Weitere Fragestellungen zur Betonermüdung

Einfluss von Spannungsumlagerungen

Spannungsverteilung zu Beginn der Lastgeschichte

Spannungsverteilung am Ende der Lastgeschichte

(Göhlmann 2009)

Verbreiterung der Druckzone

Seite 14Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Weitere Fragestellungen zur Betonermüdung

Einfluss der Wassersättigung

Hümme (2015)

Seite 15Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Einfluss von Amplitudenwechsel

Weitere Fragestellungen zur Betonermüdung

Holmen (1979)

Seite 16Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Einfluss der Probekörpergeometrie und des Maßstabeffekts

Weitere Fragestellungen zur Betonermüdung

Statisch Dynamisch

fck

= 0,82 ∙ fck,cube,150

fck,cube,200

= 0,95 ∙ fck,cube,150

?

F

F

?

FF

?

?

Seite 17Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Materialermüdung von On- und Offshore Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung

Verbundforschungsvorhaben WinConFat

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Fördersumme: ~ 3.000.000 €

Industriemittel: ~ 900.000 €

Geplante Laufzeit: 2016 - 2019

Verbundpartner: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e. V.Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e. V.Leibniz Universität HannoverRWTH AachenTechnische Universität DresdenTechnische Universität MünchenRuhr-Universität BochumKarlsruher Institut für TechnologieBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

Seite 18Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Verbundforschungsvorhaben WinConFat

Seite 19Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Bisher:

Lastwechselzahl

Ober- und Unterlast

Belastungsfrequenz

Dehnungen

Messgrößen bei Ermüdungsversuchen

Zukünftig:

Lastwechselzahl

Ober- und Unterlast

Belastungsfrequenz

Dehnungen

Oberflächentemperaturen

Kriech- und Schädigungsdehnung

Feuchtegehalt

Ultraschalllaufzeiten

Seite 20Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Ultraschallmessungen am Beton

Messtechnik Messrechner

US-Generator & Wandler

Sender & Empfänger

Seite 21Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Ultraschallmessungen am Beton

Statischer DruckversuchWeggesteuerte Versuchs-durchführung ε` = konst.

75% · fc

Seite 22Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Ultraschallmessungen am Beton

Ermüdungsversuch

Zeit t

Span

nung

σ

σmin

σm

σmax

1 Lastwechsel

Δσ

R = σmin / σmaxσm = (σmin + σmax) / 2Δσ = σmax - σmin

Dru

ck (-

)

Z

ug (+

) b

-3 -4

0.00

5.53

76. 5

0.00

63

. 0814

7.009

60

70

80

90

0,2 0,4 0,6 0,8

100

500 0,3 0,5 0,7 0,90,1 1,0

Smax=0,950Smax=0,900Smax=0,825Smax=0,750Smax=0,675

Smin=0,050

bezogene Lebensdauer N/Nf

‰]

Seka

nten

mod

ul E

s [%

]

Nf=179.379

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

bez.

Sch

allg

esch

win

digk

eit

bez. Lastwechselzahl

PK26PK039PK044PK045PK046 Smax=0,70 Smin=0,05 fp=10Hz

Seite 23Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Prüfung von großen Bauteilen

Versuchsbalken

Länge: 9m

Höhe: 80 cm

Prüffrequenz: 13 - 18 Hz

Amplitude: ±2mm

Ziel

Erfassung der Spannungs-

umlagerungen auf Bauteilebene

Fördermittelgeber

Bundesministerium für Wirtschaft

und Energie (BMWi)

Seite 24Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Prüfung von großen Bauteilen

Spannungsumlagerungen auf Bauteilebene

Ultraschallmessungen5 Sender- & Empfänger-Paare

Seite 25Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken

Prüfung von großen Bauteilen

NM

(Pfanner 2003)

Spannungsumlagerungen auf Bauteilebene

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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