Fatigue of prestressed tendons
Final Report Abstract
Der im Rahmen des schnellen und industriellen Bauens zunehmende Einsatz von vorgespannten Betonfertigteilen, z. B. als Brückenbauteile, Kranbahnträger, vorgespannte Masten oder zyklisch beanspruchte Decken im Industriebau, führt zwangsläufig dazu, dass die sichere Bauteilauslegung für eine einwirkende Ermüdungsbeanspruchung zukünftig deutlich mehr beachtet werden muss. In der Regel wird bei solchen Bauteilen der Nachweis gegen Spannstahlermüdung sogar der maßgebende Bemessungsfall sein. Außerdem ergibt sich aus einer verlängerten Nutzungsdauer von Bestandsbauteilen, ggf. kombiniert mit einer höheren Nutzlastbeanspruchung, die Notwendigkeit den Langzeitfestigkeitsbereich (very high cycle fatigue) mit Lastwechselzahlen von bis zu 10^7 oder sogar 10^8 zu berücksichtigen. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde zunächst eine weitergehende Auswertung von in der Fachliteratur dokumentierten Untersuchungen sowie deren Aufbereitung und Einbindung in die vorhandene Datenbank vorgenommen. Es zeigte sich, dass die Ermüdungsfestigkeit von eingebauten Spanngliedern im Zeitfestigkeitsbereich (10^4 < N ≤ 10^6) mit der von freischwingend getesteten Spannstahlproben nahezu übereinstimmt. Im Langzeitfestigkeitsbereich (N > 106) treten jedoch Einflüsse in den Vordergrund, die aus den im Bauteil vorhandenen Spannungs- und Verformungsverhältnissen resultieren und die Ermüdungsfestigkeit der eingebauten Spannglieder durch die bei Relativverschiebungen auftretenden Reibeffekte verringern können. Eine Gegenüberstellung mit den Wöhlerlinien internationaler Normen und Regelwerke ergab, dass die Ermüdungsfestigkeit von Spannlitzen im sofortigen Verbund - insbesondere im für ermüdungsbeanspruchte Spannbetonbauteile relevanten Langzeitfestigkeitsbereich - durch die rechnerischen Wöhlerlinien zum einen nicht hinreichend wirklichkeitsnah abgebildet wird und zum anderen auch nicht auf der sicheren Seite liegt. Außerdem sind im nationalen und internationalen Bereich nur wenige experimentelle Untersuchungen im Langzeitfestigkeitsbereich vorhanden. Auf dieser Basis wurde im Rahmen des Forschungsprojekts das Ermüdungsverhalten von Spannbetonträgern und der eingebauten Spannlitzen im sofortigen Verbund anhand verschiedener experimenteller Untersuchungen und modelltheoretischer Betrachtungen weitergehend erforscht. Die Untersuchungen konzentrierten sich vorwiegend auf den Langzeitfestigkeitsbereich. Zunächst wurden zyklische Zugversuche an freien und einbetonierten Spannstahlproben als Kleinversuche durchgeführt, anhand derer das Ermüdungs- und Versagensverhalten von einbetonierten Litzen quantifiziert sowie durch bildgebende Verfahren weitergehend erfasst werden konnte. Mit den Versuchsergebnissen konnte zudem belegt werden, dass sich die Reibermüdungsvorgänge an den Litzen, die aus den veränderten Kontaktverhältnissen im einbetonierten Zustand resultieren, im Wesentlichen im Langzeitfestigkeitsbereich auswirken. Im Anschluss wurden acht Großversuche an Spannbetonträgern mit geradlinig geführten Spannlitzen im sofortigen Verbund unter zyklischer Biegebelastung durchgeführt. Die Versuche wurden messtechnisch umfassend instrumentiert, planmäßig geprüft und systematisch ausgewertet. Die maximal erreichte Lastwechselzahl betrug 79,7·10^6 bei einer Versuchsdauer von 308 Tagen. Mit der Auswertung der Versuchsergebnisse konnte die vorhandene Versuchsdatenbasis im Langzeitfestigkeitsbereich mit Lastwechselzahlen zwischen 10^6 und 10^8 wesentlich erweitert werden. Außerdem wurden wertvolle Erkenntnisse zu bauteilspezifischen Einflussfaktoren, wie z. B. Auswirkungen verschiedener Bewehrungsgrade und unterschiedliche Betone, gewonnen. Auf Grundlage der eigenen durchgeführten Untersuchungen und den in der Literatur vorhandenen Versuchsergebnissen wurde ein rechnerischer Ansatz für eine trilineare Wöhlerlinie vorgeschlagen, mit der die Ermüdungsfestigkeit von geradlinig geführten Spannlitzen im sofortigen Verbund ab einer Lastwechselzahl von 10^5 infolge der im eingebauten Zustand vorliegenden Beanspruchungsverhältnisse weitergehend und wirklichkeitsnäher abgebildet werden kann. Hiermit ist eine zuverlässigere Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit von vorgespannten Spannbetonträgern mit sofortigem Verbund möglich. Der eigene Vorschlag könnte ohne Weiteres einer weiteren wirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden.
Publications
- Specific Influences on Fatigue Life of Prestressing Steel. In: Hiller, E. (Ed.): 12th Japanese German Bridge Symposium – Volume of Abstracts and Full Papers, München, 04.-07.09.2018
Remitz, J.; Empelmann, M.
- Behavior of prestressed concrete girders – New findings on the fatigue behavior of precast elements. In: BFT International 85 (2019), Heft 2, S. 64
Empelmann, M.; Remitz, J.
- Fatigue Evaluation of Pre-Tensioned Concrete Girders. In: Report of 6th IABSE Young Engineers Colloquium 2019, S. 20-21, Berlin, 11.10.2019
Remitz, J.
- Cyclic tensile tests on prestressing strands embedded in concrete. In: Materials and Structures 53 (2020), Heft 3
Remitz, J.; Empelmann, M.
(See online at https://doi.org/10.1617/s11527-020-01484-x)
