Querkraftermüdung von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung - Experimentelle Charakterisierung und analytische Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Claßen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541376417

Die Ermüdung von Stahlbetonbauteilen verkürzt die Lebensdauer wichtiger Bauwerke erheblich. Ein tiefgreifendes Verständnis der Degradationsprozesse, die zum Ermüdungsversagen führen, ist daher unerlässlich, um die Dauerhaftigkeit neuer und bestehender Bauwerke wie Brücken und Windkraftanlagen sicherzustellen. Leider ist unser derzeitiges mechanisches Verständnis der Stahlbetonermüdung dieser Herausforderung nicht gewachsen und unsere auf phänomenologisch-empirischen Modellen basierenden Bemessungsverfahren sind weder präzise genug noch skalierbar. Das Hauptziel dieses Antrags ist daher die Entwicklung eines kombinierten experimentellen und theoretischen Ansatzes, der die physikalischen Ursachen der Querkraftermüdung in Stahlbetonbauteilen beschreiben kann. Die zentrale Hypothese des Antrags besagt, dass die Fortpflanzung eines kritischen Schubrisses in die Druckzone aus der zyklischen Degradation verschiedener Spannungsübertragungsmechanismen (STMs) resultiert. Zur Validierung dieser Hypothese und Umsetzung des Antragsziels ist ein umfassendes Forschungsprogramm angedacht, das aus vier miteinander verknüpften Arbeitspaketen (WP) besteht: In WP1 wird die sich kontinuierlich verändernde Risskinematik unter Querkraftermüdungsbeanspruchung in makroskopischen Bauteilversuchen mittels modernster Messtechniken wie digitaler Bildkorrelation und faseroptischen Sensoren detailliert aufgezeichnet. WP2 wird diese gemessenen zyklischen Rissverformungen auf mesoskalige Tests anwenden (unter Verwendung des neuen großmaßstäblichen Torsions- und Axialbelastungssystems TorAx), um die STM-Aktivierung/Degradation zu analysieren und die Quelle der Rissfortpflanzung zu identifizieren. WP3 wird das bisher unbekannte hochzyklische Verhalten von STMs in ermüdungsinduzierten Rissen von Stahlbetonbauteilen quantifizieren und eine Reihe konstitutiver Ermüdungsgesetze aufstellen. Schließlich wird in WP4 ein analytisches Modell zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von Stahlbetonbauteilen entwickelt. Dieses Modell wird die Rissentwicklung berücksichtigen, die Ermüdungsgesetze aller STMs integrieren und die Veränderung der Rissöffnung/des Rissgleitens sowie der Stahl-/Betondehnungen während des gesamten Ermüdungsprozesses abbilden. Entscheidend ist, dass dieses Forschungsprogramm nicht auf eine umfassende empirische Untersuchung von Parameterkombinationen abzielt, sondern auf die grundlegende Erforschung innovativer Methoden wie verformungsgesteuerte Ermüdungsprüfungen und analytische (rissfortschrittsgesteuerte) Makromodellierung. Diese neuartigen Methoden werden tiefe Einblicke in die komplexe Natur der strukturellen Degradation unter Querkraftermüdungsbeanspruchung ermöglichen und dazu beitragen, ein neues Vorgehen in der Ermüdungsbemessung zu etablieren, das sich nicht auf die Prüfung des Versagenszustands beschränkt, sondern den gesamten Lebenszyklus einer Struktur abbildet und den erforderlichen Input für nachhaltigere und wirtschaftlichere Bauwerke der Zukunft liefert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen