Spannungsumlagerungen bei ermüdungsbeanspruchten Spannbetonbalken im numerischen Modell und Versuch

Abstract

Aufgrund einer Ermüdungs-Biegebeanspruchung kommt es in stärker beanspruchten Bereichen von Betonquerschnitten zu einer Materialdegradation und einer Steifigkeitsverringerung. Als Folge lagern sich Spannungen von den degradierten Bereichen in weniger degradierte Bereiche um. Dies führt auf der Bauteilebene zu einer Verlängerung der Lebensdauer der beanspruchten Strukturen. Die derzeit gültigen Normen [1][2][3] und Richtlinien [4] zur Bemessung von Windenergieanlagen berücksichtigen diese Effekte nur unzureichend. Um das Materialverhalten von Beton unter Ermüdungsbeanspruchung zu erforschen, wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl von Versuchen an zylindrischen Probekörpern durchgeführt [5-9]. Die Ergebnisse von Versuchen an kleinformatigen Proben geben jedoch keinen direkten Rückschluss auf das Materialverhalten bei realen Bauteilgeometrien, da Effekte wie z. B. Spannungsumlagerungen in axial beanspruchten Zylinderproben nicht in demselben Maße auftreten. Aus diesem Grund führt das Institut für Massivbau der Leibniz Universität Hannover großformatige Ermüdungsversuche an vorgespannten Betonbalken durch. Hierbei wird eine rein vertikale Ermüdungsbeanspruchung durch paarweise gegenläufig ausgerichtete Unwuchtmotoren aufgebracht, die nahe der ersten Biegeeigenfrequenz des Balkens rotieren. Durch Ausnutzen des Resonanzphänomens kann die von den Unwucht motoren im Balken erzeugte Biegebeanspruchung überhöht und so das gewünschte Beanspruchungsniveau erreicht werden. Diese Versuche werden in einem numerischen Modell nachgebildet, um so einen genaueren Einblick in die Steifigkeitsveränderungen im Querschnitt sowie die daraus folgenden Spannungsumlagerungen zu erhalten. Auf diese Weise können Erkenntnisse gewonnen werden, die eine wirtschaftlichere Bemessung von ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen erlauben. 2 Theoretischer hintergrund 2.1 materialverhalten unter Ermüdungsbeanspruchung Das Materialverhalten von Beton unter einstufiger einaxialer Druckschwellbeanspruchung wurde bereits in vielen Versuchsreihen untersucht [5-9]. Die Ergebnisse zeigen, dass sich unter einstufiger einaxialer Ermüdungsbeanspruchung ein charakteristischer S-förmiger Dehnungsverlauf einstellt. Holmen [6] vermutet eine Degradation der Probekörpersteifigkeit als Ursache für dieses Phänomen. In verschiedenen Versuchen an Betonzylindern wurde eine Abnahme des Elastizitätsmoduls mit einem ähnlichen S-förmigen Verlauf bestätigt [6, 10, 11]. In anderen Untersuchungen wurde herausgefunden, dass die Bruchdehnung der Probekörper bei Versuchen mit niedrigerer Belastungsfrequenz und damit längerer Belastungsdauer größer ist als bei solchen mit kürzeren Belastungsdauern [12, 13]. Daraus schließen die Autoren, dass Mithilfe eines Resonanzprüfstands werden vorgespannte Betonbalken bis in den Very-High-Cycle-Fatigue Bereich auf Ermüdung beansprucht. Es werden großformatige Probekörper untersucht, sodass im Vergleich zu üblichen Probekörpergrößen Effekte wie lokale Steifigkeitsänderungen und Spannungsumlagerungen abgebildet werden können, die einen positiven ...

Stress configuration‐based classification of current research on fatigue of reinforced and prestressed concrete

“…The propagation of fatigue at the structural level has been recently investigated experimentally in several studies. 108,122,123 An example of the monitored propagation of fatigue degradation in an externally prestressed beam 108 is shown in Figure 6a. The test setup provided detailed data on the structural compressive fatigue behavior of concrete along with the strain field evolution during the fatigue life using advanced measurement techniques such as fiber optic sensors and DIC.…”

“…The simulation of compressive fatigue propagation at the structural level using a simplified lifetime-based approach has been developed. 122,129 The primary objective of this approach is its applicability to large scale testing and high-cycle fatigue scenarios. This model adapts the linear elastic material model by introducing a reduction of the material stiffness at a certain number of loading cycles based on the uniaxial additive strain model proposed.…”

“…A challenging task to be solved in the future relates to the transition from the fatigue characterization at the material level to the prediction of the fatigue behavior of reinforced concrete structures. The propagation of fatigue at the structural level has been recently investigated experimentally in several studies 108,122,123 . An example of the monitored propagation of fatigue degradation in an externally prestressed beam 108 is shown in Figure 6a.…”

Bestimmung und Validierung von Materialparametern für die nichtlineare Modellierung von Beton

“…Darauf aufbauend wurden später weitere praxisnähere Modelle entwickelt, z. B. in [11][12][13][14][15][16][17]. Jedoch werden diese Modelle vorrangig in der Forschung in eigens dafür entwickelten Softwareumgebungen zur Untersuchung gezielter Problemstellungen angewandt und weniger für allgemeine Anwendungen in der Bemessungspraxis.…”

Monitoring concept for the propagation of compressive fatigue in externally prestressed concrete beams using digital image correlation and fiber optic sensors

“…It was observed that the stresses of the higher stressed fiber of the cross‐section (i.e., the upper fiber) decreased and redistributed to the lower fibers during fatigue life. Experimental investigations on large‐scale beam specimens using a resonance‐based testing facility 28 have been recently presented by Birkner and Marx, 2019 29,30 . The evaluation of the experimental tests showed a larger stiffness reduction at the top edge than in the middle of the cross‐section as well as stress redistributions from outer to inner fibers, which have a positive effect on the fatigue lifetime of concrete structures.…”