Numerische und experimentelle Untersuchungen zu den Spannungsumlagerungen von ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen im Very-High-Cycle-Fatigue Bereich

Abstract

Ein zentraler Baustein zur Reduktion von CO2-Emissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie. Forschungsbedarf besteht dabei bei der ressourceneffizienten Herstellung der Turmstrukturen. Bei Nabenhöhen von über 100 Metern sind Hybridtürme aus vorgespannten Stahlbetonsegmenten die geeignetste Konstruktion. Hierfür ist jedoch eine genaue Kenntnis des Ermüdungsverhaltens von Beton erforderlich. In der Literatur existieren überwiegend Untersuchungen an kleinformatigen zylindrischen Probekörpern, deren Ergebnisse nur bedingt auf die großmaßstäblichen Bauteile übertragen werden können. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden daher zum einen Großversuche mit zyklisch biegebeanspruchten, vorgespannten Betonbalken sowie Begleitversuche an zylindrischen Probekörpern und zum anderen numerische Simulationen der Balkenversuche durchgeführt. Das numerische Materialmodell wurde aufbauend auf einem additiven Dehnungsmodell im Finite-Elemente-Programm ANSYS Mechanical in einem iterativen Berechnungsablauf implementiert. Die Betondehnungen setzen sich hierbei aus vier Anteilen zusammen, einem elastischen, einem plastischen, einem viskosen und einem Temperaturdehnungsanteil. Somit konnte der kombinierte Einfluss der Anteile auf das Ermüdungsverhalten von Beton dargestellt werden. In den Großversuchen konnte bei den Balkenprobekörpern ein Ermüdungsversagen der Betondruckzone erzeugt werden, das sich an dieser Stelle durch Risse parallel zur Drucknormalspannung sowie teilweises Abplatzen der Betondruckzone, die der größten Spannungsschwingbreite ausgesetzt war, einstellte. Es zeigte sich, dass dies erst nach deutlich mehr Lastwechseln eintrat als bei den axial beanspruchten Betonzylindern in den zyklischen Begleitversuchen mit derselben Spannungsschwingbreite. Dies ist auf die Spannungsumlagerung zurückzuführen, die im Querschnitt aufgrund der ermüdungsbedingten Materialdegradation und Steifigkeitsverringerung der stark beanspruchten Randbereiche stattfand. In den Begleitversuchen wurden die Materialparameter für das numerische Modell ermittelt, mit dem im Anschluss die Balkenversuche nachgerechnet wurden. Es konnten die in den Versuchen beobachteten Effekte der Steifigkeitsdegradation und Spannungsumlagerung und die daraus resultierende Lebensdauerverlängerung nachgebildet werden. Das Modell kann somit für weitergehende Lebensdaueruntersuchungen von ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen verwendet werden.:ABSCHLUSSBERICHT 1 Allgemeine Angaben 2 Zusammenfassung / Summary 3 Wissenschaftlicher Arbeits- und Ergebnisbericht 4 Veröffentlichte Projektergebniss

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This paper was published in Technische Universität Dresden: Qucosa.

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