Stochastische Bewertung der Ermüdungssicherheit von druckschwellbeanspruchtem Beton

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Marx
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571276042

Der zunehmende Einsatz von hoch- und ultra-hochfesten Betonen führt zu einer immer größeren Anzahl schlanker und damit schwingungsanfälligerer Stahlbeton- und Spannbetonkonstruktionen. Gleichzeitig wächst die Anzahl stark ermüdungswirksam beanspruchter Bauwerke, z. B. Windenergieanlagen und schlanke Brücken. Damit wird der Ermüdungsnachweis immer häufiger maßgebend für die Bemessung. Die Bemessungsansätze gegen Betonermüdung in Deutschland bestehen im Wesentlichen aus den Wöhlerlinien und dem Bemessungswert der Druckfestigkeit bei Ermüdungsbeanspruchung. In der Literatur existieren zwar zahlreiche Ermüdungsuntersuchungen an Beton unter einaxialer Druckschwellbeanspruchung, im Bereich von N > 10^7 liegen jedoch kaum Untersuchungsergebnisse vor. Bestehende Wöhlerlinien in diesem Bereich stellen somit nur Abschätzungen dar und die tatsächliche Sicherheit im derzeitigen Nachweiskonzept der Betonermüdung ist nicht bekannt. Im Bereich N < 10^7 streuen die Bruchlastwechselzahlen von Beton sehr stark. Erste Auswertungen legen die Vermutung nahe, dass die Ursache der Streuung der Bruchlastwechselzahlen (BLWZ) von Betonen in Einstufen-Druckschwellversuchen im Bezug des Oberspannungsniveaus auf den Mittelwert der streuenden Betondruckfestigkeit der untersuchten Charge liegt. Unter der Annahme, dass die Streuung der BLWZ und der Druckfestigkeiten von Proben einer Betoncharge korreliert, kann das Oberspannungsniveau auf die tatsächliche Betondruckfestigkeit der untersuchten Probe bezogen und damit die Streuung der BLWZ weitgehend eliminiert werden. Um diese Hypothese zu untersuchen, soll im beantragten Vorhaben der Einfluss der Streuung der Druckfestigkeit auf den Ermüdungswiderstand von Beton versuchstechnisch bestimmt, wissenschaftlich beschrieben und in einen stochastischen Bemessungsansatz überführt werden. Dazu werden 355 zylindrische Proben aus einer Betoncharge hergestellt und zunächst zerstörungsfrei geprüft (AP 1). Die zerstörend ermittelten Druckfestigkeiten (AP 2) und zyklischen Versuche (AP 3) werden statistisch ausgewertet und sind Basis einer um die Streuung der Druckfestigkeit bereinigten Versuchswöhlerkurve. Mit dieser wird die Hypothese überprüft. Zur Validierung werden zusätzliche Ermüdungsversuche mit verringerter Grenzlastwechselzahl durchgeführt (AP 5). Während der experimentellen Versuche in AP 3 und 5 wird die kumulierte Dissipationsenergie als Schädigungsindikator überwacht und so eine Vorhersage zum Versagenszustand der Proben getroffen (AP 4). An allen Proben aus AP 5, die eine zu definierende Grenzlastwechselzahl erreichen, wird die Restdruckfestigkeit ermittelt und diese für die statistische Auswertung herangezogen (AP 6). Die Versuchswöhlerkurve aus AP 3 wird zudem für die Erstellung eines analytischen Modells der Wöhlerkurvensteigung verwendet (AP 7). Dieses Modell stellt einen Test für die Forschungshypothese dar und erlaubt durch die Steigungsänderung in Abhängigkeit vom Spannungsniveau Aussagen zu einer Dauerfestigkeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen