Schädigungsprozesse in faserbewehrtem ultrahochfesten Beton unter zyklischer Zugbeanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dieter Dinkler; Professor Dr.-Ing. Martin Empelmann
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 353961703

Ultrahochleistungsbetone (UHPC) in Betonstrukturen bieten ein enormes Potential im Hinblick auf eine sehr hohe, massenoptimierte Tragfähigkeit sowie eine überragende Dauerhaftigkeit. Um dem spröden Versagen von UHPC entgegenzuwirken, werden in der Regel beträchtliche Mengen von hochfesten Mikrostahldrahtfasern beigemischt, die aus Gründen der Ressourcenschonung in der Strukturbemessung berücksichtigt werden müssen. Während für ultrahochfeste Betone mit Mikrostahlfasern (UHPFRC) unter vorwiegend ruhenden Beanspruchungen schon Modellansätze für Biegung, Querkraft und Torsion existieren, ist noch unklar, wie die Fasertragwirkung bei ermüdungsbeanspruchten Bauteilen angesetzt werden kann. Erste Untersuchungen an UHPFRC-Zugkörpern unter zyklischer Zugbeanspruchung innerhalb der ersten Förderperiode des SPP2020 deuten darauf hin, dass auch nach einer hochzyklischen Zugbelastung in Einstufenversuchen noch ein beträchtlicher Ermüdungswiderstand vorhanden ist. Allerdings ist das Ermüdungsverhalten von UHPFRC unter komplexen Beanspruchungsszenarien (Mehrstufenversuche) bisher noch nicht untersucht worden. Daher sollen in dem beantragten Forschungsvorhaben - aufbauend auf den Untersuchungen und Erkenntnissen der ersten Förderperiode - die Schädigungsmechanismen und der Degradationsverlauf von UHPFRC unter komplexen, zyklischen Zugbeanspruchungen grundlegend experimentell und numerisch untersucht werden. Zum einen sollen durchgängige und systematisch abgestufte experimentelle Untersuchungen (Mehrstufenversuche mit Reihenfolgeeffekten und Schadensakkumulation) an verschiedenformatigen Versuchskörpern (inkl. zweier Demonstratoren) durchgeführt und mittels moderner mechanischer Messverfahren und bildgebender Methoden, wie z. B. Digitalmikroskopie (DM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Computertomografie (CT) und Photogrammetrie (GOM), sowie Schallemissionsanalyse (SEA) dokumentiert, ausgewertet und analysiert werden. Zum anderen soll basierend auf dem mesoskaligen Verbundmodell aus der ersten Förderperiode eine effiziente Homogenisierungsstrategie entwickelt und implementiert werden, um das Degradationsverhalten des Kompositwerkstoffs UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung kontinuumsmechanisch zu beschreiben. Zur Modellvalidierung werden die Versuchsergebnisse aus der ersten und zweiten Förderperiode herangezogen und numerisch analysiert. Ziel ist die makroskopische Bauteil-Simulation für monotone und zyklische Beanspruchungen. Übergeordnet soll mit der Verknüpfung der in den experimentellen und numerischen Untersuchungen erzielten Erkenntnisse und Modelle zum Experimental-Virtual-Lab eine Degradationsprognose für UHPFRC unter zyklischer Zugbeanspruchung entwickelt werden, die an einem Demonstrator validiert wird und bei zug- und biegezugbeanspruchten Tragwerken aus modernen Hochleistungsbetonen eingesetzt werden kann.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2020: Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab
• Mitverantwortliche: Professorin Dr.-Ing. Ursula Kowalsky; Professor Dr.-Ing. Vincent Oettel