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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
Seite 3Sachstandbericht zur Ermüdung von dynamisch hoch beanspruchten Betontragwerken
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
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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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