Entschlüsselung der Auswirkungen der Belastungsreihenfolge bei der Betonermüdung: Eine kombinierte numerische-experimentelle Methodik

• Antragsteller: Dr.-Ing. Abedulgader Baktheer; Professor Dr.-Ing. Martin Claßen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544805481

Für eine nachhaltige Infrastruktur sind die Optimierung der Materialnutzung und die Verbesserung der strukturellen Widerstandsfähigkeit entscheidend. Betonbauwerke, die als Herzstück kritischer Infrastrukturen wie Brücken und Windkraftanlagen dienen, stehen vor einer großen Herausforderung - der Vorhersage ihrer Ermüdungslebensdauer. Die zentrale Hürde besteht darin, die komplizierte Beziehung zwischen der Belastungsreihenfolge und der Ermüdungslebensdauer zu verstehen. Ohne eine Untersuchung der Auswirkungen der Belastungsabfolge und der variablen Amplituden können Sicherheitsbeiwerte unangemessen hoch angesetzt werden, was zu einer ineffizienten Materialnutzung führt, oder gefährlich niedrig, was die Sicherheit kritischer Infrastrukturen gefährdet. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Entwicklung einer kombinierten experimentell-numerischen Methodik zum Verständnis des Ermüdungsverhaltens von Betonstrukturen, mit besonderem Fokus auf den Einfluss der Belastungsreihenfolge. Die Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung der Ermüdungsdegradation in den kritischen Bereichen der Bauteile bei verschiedenen Belastungsszenarien, einschließlich systematischer Belastungsblöcke und realistischer zufälliger Belastungsszenarien. Darüber hinaus wird im Rahmen des Projekts eine neue Hypothese geprüft, die auf eine Stabilisierung der kumulativen Ermüdungslebensdauer bei stark ungleichmäßigen Belastungsszenarien hindeutet und eine Abweichung von den Vorhersagen der weit verwendeten Palmgren-Miner (P-M) Schadensakkumulationsregel aufzeigt. Um das Projektziel zu erreichen, werden im Rahmen der Arbeiten numerische Modellierungsansätze im Makro- und Mesomaßstab weiterentwickelt, wobei der Schwerpunkt auf ihrer physikalischen Rigorosität und thermodynamischen Konsistenz liegt. Diese theoretische Entwicklung wird von der Entwicklung speziell entwickelter experimenteller Charakterisierungsmethoden begleitet, die dissipative Ermüdungsmechanismen sowohl auf der Material- als auch auf der Strukturskala isolieren können, wobei ein besonderer Fokus auf dem Einfluss der Belastungssequenz liegt. Die entwickelte numerische und experimentelle Methodik wird intensiv zur Untersuchung der Auswirkungen der Belastungsreihenfolge in einer Vielzahl von Belastungsszenarien eingesetzt. Darüber hinaus werden die Wechselwirkungen zwischen der Belastungsreihenfolge und der Spannungsumlagerung im Bauteil während der Ermüdungsdauer untersucht. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts werden die Basis für die Entwicklung einer genauen und verbesserten Schadensakkumulationsregel zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer von Beton liefern, indem der Einfluss der Belastungssequenz und der variablen Amplituden berücksichtigt wird. Dieser umfangreiche Ansatz, der numerische Modellierung und experimentelle Validierung miteinander verbindet, bietet ein leistungsfähiges Instrument, das einen bedeutenden Beitrag zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer von Bauwerken leisten wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Rostislav Chudoba