Causes and modelling of the warming of fatigue-loaded concrete

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Steffen Marx; Professor Dr.-Ing. Conrad Völker
• Subject Area: Construction Material Sciences, Chemistry, Building Physics ; Structural Engineering, Building Informatics and Construction Operation
• Term: from 2017 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 342801069

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

In dem Forschungsvorhaben wurde die Probekörpererwärmung bei Ermüdungsversuchen an zylindrischen Betonprobekörpern experimentell sowie numerisch analysiert. Im Rahmen umfangreicher experimenteller Untersuchungen wurde das thermische und mechanische Verhalten der Probekörper infolge verschiedener zyklischer Druckschwellbeanspruchungen ausgewertet. Dabei wurden die Probekörpertemperaturen an der Oberfläche und im Kern sowie die Umgebungstemperaturen aufgezeichnet. Über die mit einer hohen Messfrequenz aufgezeichneten Kraft- sowie Längenänderungswerte konnte für jeden Lastwechsel das Spannungs-Dehnungsverhalten ermittelt und energetisch ausgewertet werden. Neben einem elastischen und plastischen Energieanteil wird mit jedem Lastwechsel zusätzliche Energie vom Probekörper dissipiert. Im Folgenden wurde die Hypothese von Teichen (1968), wonach die die dissipierte Energie für die Probekörpererwärmung verantwortlich ist, untersucht. Mit einem entwickelten Makro wurden dafür zunächst für alle Lastwechsel der gesamten Versuchsserie die jeweiligen Dissipationsenergien ausgewertet. Parallel wurde ein numerisches Modell eines Betonprobekörpers inklusive der Umgebung des Versuchsstands entwickelt, mit dem das thermische Verhalten des Probekörpers simuliert werden kann. Als Eingangsgrößen für das Modell wurden die thermischen Materialparameter des Betons experimentell ermittelt. Die einzelnen Wärmeübergangswiderstände wurden sowohl experimentell als auch analytisch bestimmt. Die aus den experimentellen Untersuchungen ermittelten Verläufe der Dissipationsenergie dienten als weitere Eingangsgröße. Sie beschreiben die thermische Energie, welche dem Probekörper zu dem jeweiligen Zeitpunkt zugeführt wird. Im Rahmen verschiedener Parameterstudien wurde das Modell anschließend anhand der Versuchsdaten kalibriert. Der abschließende Vergleich zwischen den numerisch und experimentell ermittelten Probekörpertemperaturen zeigte sehr gute Übereinstimmungen. Sowohl die Temperaturverläufe der einzelnen Probekörper über die Versuchslaufzeit als auch die absoluten Maximaltemperaturen stimmten nahezu überein. Somit konnte die Hypothese von Teichen, dass die Dissipationsenergie die für die Probekörpererwärmung verantwortliche thermische Energie beschreibt, bestätigt werden. Eine numerische Untersuchung der thermisch bedingten Eigenspannungen und Dehnungen infolge der Probekörpererwärmung unter der Annahme homogener Materialeigenschaften des Betons hat verglichen mit der aufgebrachten mechanischen Beanspruchung nur geringe Werte ergeben. Demnach kann damit nicht der in anderen Untersuchungen festgestellte Temperatureinfluss auf das Ermüdungsverhalten von Betonzylindern erklärt werden. Stattdessen wird die Ursache in der thermischen und mechanischen Inkompatibilität der Betonbestandteile vermutet. Weitergehende Untersuchungen im Rahmen zukünftiger Forschungsarbeiten sollen daher die Inhomogenität des Betons berücksichtigen.

Publications

• Dissipationsenergie bei Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern. Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019) Heft 8, Seiten. 548–556
  Bode, M.; Marx, S.; Vogel, A.; Völker, C.
  
• Energetische Schädigungsanalyse der Betonermüdung. In: Lohaus, L.; Haist, M.; Marx, S. (Hrsg.): Beiträge zur 7. DAfStb-Jahrestagung mit 60. Forschungskolloquium. Hannover: Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover, 28.–29. Oktober 2019 in Hannover, 2019, S. 45–55
  Bode, M.; Marx, S.
  
• Heat generation during fatigue tests on concrete specimens. In: Derkowski et al. (Hrsg.): Proceedings of fib Symposium 2019, 27.-29. Mai 2019 in Krakau (Polen), 2019, S. 1881-1887
  Bode, M.; Marx, S.
  
• Messung und Simulation der Erwärmung von ermüdungsbeanspruchten Betonprobekörpern. Bauphysik 42 (2020) Heft 2, S. 86–93
  Vogel, A.; Völker, C.; Bode, M.; Marx, S.
  
• Untersuchung des Wärmeübergangs von zyklisch beanspruchten Betonzylindern. Bauphysik 42 (2020) Heft 3, S. 131–138
  Vogel, A.; Völker, C.; Benz, A.