Die Alterung von Tragwerken ist Folge der Baustoffdegradation, die zu einer Veränderung der Duktilität und einer Verringerung der Resttragfähigkeit führen kann. Für die numerische Untersuchung dieser Prozesse müssen die an Baustoffproben validierten Modelle in die Tragwerksanalyse integriert werden, damit der Einfluss der Degradation auf die Zustandsentwicklung und die Resttragfähigkeit von Tragwerken möglich ist.
Für die hier im Mittelpunkt stehenden gekoppelten Prozesse muss die Modellbildung so erfolgen, dass eine numerische Simulation aller Prozesse, die während der Nutzungsdauer eines Bauwerks auftreten können, fallabhängig möglich ist. Hierzu werden Leitprozesse mit entsprechenden Leitvariablen baustoffabhängig definiert und mit entsprechenden Modellgleichungen beschrieben. Leitprozesse sind das Verformungsverhalten, das Transportverhalten von Stoffen im Bauwerk sowie die Reaktionskinetik bei chemischen Reaktionen, die die Eigenschaften des Baustoffes substanziell verändern können. Leitvariablen sind u. a. Schädigungsvariablen (z. B. Korrosionsraten, Abrostungsgrade), Ausnutzungsgrade, inelastische Deformationen, Lastwechselzahl, Hydratationsgrad bei Beton, Temperatur, Feuchte bzw. Wasserhaushalt.
Mithilfe der Leitprozesse und Leitvariablen ist es möglich, die Zustandsänderungen von der Errichtung eines Bauwerks bis zu seinem Abriss zu verfolgen und in der Quantität zu beschreiben. Temporäre und lokale Prozesse können fallabhängig angekoppelt werden und so den Einfluss unterschiedlicher Einwirkungen und Nutzungen während der Nutzungsdauer erfassen. Wenn mehrere Prozesse unterschiedlicher Natur permanent zusammenwirken, ist die Kopplung entsprechend zu berücksichtigen. So können Stoff- und Wärmetransport zu chemischer Degradation mit Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Baustoffs führen. Von Interesse für zukünftige Nutzungen sind vor allem die Zuverlässigkeit und die momentane Resttragfähigkeit eines Tragwerks, die sich als Folge der Materialdegradation graduell verringern.
Dis-3.1) Resttragfähigkeit von Stahlprofilen und Stahltragwerken
(Prof. Dinkler, Prof. Kowalsky)
Das Promotionsvorhaben wird von Sven Heinrich als externer Doktorand bearbeitet – neuer Titel: Mehrskalenmodell zur numerischen Schädigungsanalyse von Stahlstrukturen.
Dis-3.2) Auswirkung von unplanmäßigen Ereignissen auf mechanisch gealterte Massivbauwerke
(Prof. Empelmann, Prof. Dinkler)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Johannes Rathgen bearbeitet – neuer Titel: Tragsicherheit von bestehenden Betonbauwerken.
Dis-3.3) Schädigungsmodelle für die Rissbreitenentwicklung von Stahlbetonbauteilen bei Dauerbelastung
(Empelmann, Dinkler, de Lorenzis)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Jonas Cramer bearbeitet – neuer Titel: Lokale Betrachtungen zur Rissbreitenentwicklung unter Betriebsbeanspruchungen.
Dis-3.4) Dauerschwingfestigkeit von Spanngliedern im sofortigen Verbund
(Prof. Empelmann)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Remitz bearbeitet.
Dis-3.5) Modelle zur Beschreibung des Widerstands von gealterten Stahlbetonbauteilen gegen extreme Einwirkungen
(Prof. Budelmann)
Das Forschungsvorhaben wird nicht weiter verfolgt, da Herr Budelmann im Ruhestand ist.
Dis-3.6) Alterung und Ermüdung des Verbundes auf Beton geklebter Bewehrung
(Prof. Budelmann, Prof. Lowke)
Das Forschungsvorhaben wird zurzeit von Matteo Lunardelli und Thorsten Leusmann bearbeitet:
Dis-3.7) Resttragfähigkeit von Betonbauteilen unter monotoner und zyklischer Langzeitbeanspruchung
(Prof. Empelmann, Prof. De Lorenzis, Prof. Kowalsky)
In der Praxis existieren zahlreiche Beispiele für Stahlbeton- und Spannbetonbauteile, die einer monoton oder zyklisch wirkenden Langzeitbeanspruchung unterworfen sind. Oftmals bestehen Unsicherheiten bei der Beurteilung der Resttragfähigkeit dieser Bauteile. Aktuell wird bei der Tragfähigkeit von Betonbauteilen unter monotoner Langzeitbeanspruchung die Betondruck- und Betonzugfestigkeit pauschal mit einem Dauerstandbeiwert abgemindert bzw. unter zyklischer Langzeitbeanspruchung vereinfacht eine Ermüdungsbetonfestigkeit (FLS = Fatigue Limit State) angesetzt. In der Realität können aber während der Lebensdauer des Bauteils sowohl monotone als auch zyklische Langzeitbeanspruchungen zeitversetzt oder zusammen auftreten. Die fortschreitende Schädigung im Beton durch überlagerte Langzeiteffekte sollte unter Berücksichtigung der Materialunsicherheiten für eine differenzierte Bewertung der Tragfähigkeit berücksichtigt werden. Hierzu sind Ansätze erforderlich, die eine realitätsnahe Erfassung der (nichtlinearen) Langzeiteffekte ermöglichen.
Die vorhandenen Ansätze in der Fachliteratur zur Berücksichtigung von Langzeitbeanspruchung (monoton und zyklisch) basieren auf experimentellen Untersuchungen, die unter einaxialen
Spannungszuständen (Zug-, Druck- oder Wechselbeanspruchung) durchgeführt wurden. Die Frage, ob die Schädigungsansätze unter Zug- und Druckbeanspruchung für eine Bewertung der Schädigung und Resttragfähigkeit auf Bauteilebene geeignet sind und ob diese überlagert werden können, ist ungeklärt.
Dieses Promotionsvorhaben soll das Ziel verfolgen, die Übertragbarkeit der vorhandenen Schädigungsansätze auf Bauteilebene anhand von vorliegenden experimentellen Bauteilversuchen zu untersuchen. Aufbauend auf den Untersuchungen und Ergebnissen zu den Forschungsthemen „Auswirkung der mechanischen Alterung von Beton auf das Tragverhalten von Massivbauteilen“ und „Auswirkungen von Dauerlasten auf das Tragverhalten von Massivbauteilen“ sollen die zeit- und belastungsabhängigen Einflussparameter u. a. Belastungsdauer, Belastungsniveau, zyklische Beanspruchung (Schwingbreite, Lastspielzahl etc.) unter einaxialer Zugund Druckbeanspruchung auf Bauteilebene implementiert werden. Darauf basierend sollen modelltheoretische Ansätze für die Kombination (Überlagerung) von monoton und zyklisch wirkenden Langzeitbeanspruchungen entwickelt und überprüft werden. Die entwickelte Ansäte sollen mittels numerischer Modelle unter Berücksichtigung der experimentellen und numerischen schädigungsbedingten Änderungen der Spannungszustände sowie Resttragfähigkeit ausgewertet werden. Ggf. besteht in diesem Kontext auch die Möglichkeit, die entwickelten Schädigungsmodelle und deren Einflüsse auf die Resttragfähigkeit der Bauteile an Materialproben einer für den Rückbau vorgesehenen Spannbetonbrücke in Braunschweig exemplarisch zu validieren. Auf Basis der Untersuchungen soll ein geeigneter Ansatz für eine differenzierte Bewertung der Resttragfähigkeit von Betonbauteilen unter Berücksichtigung von Langzeitbeanspruchungen ausgearbeitet werden.
Dis-3.8) Einfluss von Eigenspannungen auf das Risswachstum in randschichtverfestigten Bauteilen
(Prof. Thiele, Prof. De Lorenzis)
Schrauben und Gewindestäbe werden im Stahl-, Maschinen- und Anlagenbau sehr häufig als Verbindungsmittel verwendet. Eine der auftretenden Beanspruchungen ist die zyklische Dauerbelastung, die zu Ermüdungsversagen führen kann. Das Gewinde ist immer scharf gekerbt und im Allgemeinen für die Bemessung maßgebend.
Bei Gewinden ist der Einfluss des Herstellungsverfahrens (gerollt, geschnitten, vergütetet, verzinkt) auf die Ermüdungsfestigkeit unterschiedlich. Durch das Aufrollen des Gewindes werden im Gewindegrund Druckeigenspannungen eingebracht, der Werkstoff wird lokal stark kaltverfestigt. Nahezu das gesamte Risswachstum als Folge einer zyklischen Belastung findet in diesem massiv umgeformten Bereich statt. Deshalb haben gerollte Gewinde unter Zugschwellbeanspruchung eine deutlich höhere Lebensdauer als geschnittene oder schlussvergütete.
Bisher wird das Risswachstum bei gerollten Gewinden nicht lokal beschrieben. Für eine Bewertung der Ermüdungsfestigkeit bei gerollten Gewinden ist dieser Anteil der Lebensdauer nicht unerheblich. Ziel ist eine Berücksichtigung dieses Effekts in modernen lokalen Konzepten zur Berechnung der Ermüdungsfestigkeit.
Aufbauend auf den grundlegenden Untersuchungen und Ergebnissen im Rahmen des GRK 2075 Forschungsthemas: Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit großer Schrauben [w.126] soll das Risswachstum in Eigenspannungsfeldern in gerollten Gewinden untersucht und beschrieben werden. Hierfür wird das Kerbdehnungskonzept nach [w.126] für schlussgerollte Schrauben mit einem Werkstoffmodell verwendet, das das zyklische elastischplastische Werkstoffverhalten korrekt wiedergibt. Darauf aufbauend erfolgt die 3D-Simulation des Umformprozesses, der mit Eigenspannungsmessungen im unbelasteten und belasteten Zustand kalibriert wird [w.125]. Das Risswachstum wird experimentell und mittels Simulation untersucht [w.123], [w.124]. Damit ist es möglich die Lebensdauer von gerollten Gewinden zu berechnen.
Dis-3.9) Auswirkungen von Vorschädigungen auf das Tragverhalten von teilflächenbelasteten Massivbauteilen
(Prof. Empelmann, Prof. Dinkler)
Die Standsicherheit von bestehenden Bauwerken hängt oft mit der Tragfähigkeit von Krafteinleitungsbereichen wie Anker-, Koppel- oder Punktlagerungen zusammen. Hierbei werden im Allgemeinen hohe konzentrierte Druckkräfte auf einer verhältnismäßig kleinen Belastungsfläche (der sogenannten Teilflächenbelastung) auf die Bauteile übertragen. Eine Erhöhung der Einwirkungen infolge einer Nutzungsänderung z. B. bei punktförmig gestützte Deckenplatten oder eine Verstärkung von gealterten Bauteilen mittels externer Vorspannung erfordert eine sichere Bewertung der Krafteinleitung unter Berücksichtigung der betriebsbedingten Vorschädigungen. Zur Bemessung und konstruktiven Auslegung von Krafteinleitungsbereichen in Betonbauteilen sind unterschiedliche Empfehlungen und modelltheoretische Ansätze in der Fachliteratur vorhanden. Diese sind überwiegend mit experimentellen Untersuchungen oder theoretischen Modellen auf Basis der Elastizitätstheorie begründet. Für eine differenziertere Untersuchung des Tragwiderstandes ist allerdings die Kenntnis über die vorherrschenden Spannungszustände sowie die daraus folgende Rissbildung essentiell [v.29], [w.128], [w.130]. Diese werden bei bestehenden Bauteilen von den Änderungen im Materialverhalten von Beton, in Form von Schädigung unter Langzeiteinwirkungen (monoton oder zyklisch) beeinflusst.
In diesem Promotionsvorhaben soll ein Modell für die Bewertung der Tragfähigkeit von gealterten teilflächenbelasteten Bauteilen entwickelt werden. Hierzu sollen in einem ersten Schritt der Spannungszustand und die daraus folgende Rissbildung unter Teilflächenbelastung anhand von vorliegenden experimentellen Forschungsergebnissen modelltheoretisch und numerisch untersucht werden. Bei der numerischen Simulation der Rissbildung wird auf die Erkenntnisse aus den Untersuchungen innerhalb des Forschungsthemas „Auswirkung der mechanischen Alterung von Beton auf das Tragverhalten von Massivbauteilen“ zurückgegriffen. Die vorhandenen Ergebnisse aus den Forschungsvorhaben „Auswirkungen von Dauerlasten auf das Tragverhalten von Massivbauteilen“ sowie „Dauerschwingfestigkeit von Spanngliedern im sofortigen Verbund“ werden zur Berücksichtigung der Langzeiteinwirkungen (monoton und zyklisch) auf das Materialverhalten verwendet. In einem weiteren Schritt sollen die theoretischen und numerischen Modelle unter Berücksichtigung der Änderung von Materialparametern infolge Schädigung erweitert werden. Anschließend sollen die Auswirkungen aus Alterung mit Lasterhöhungen kombiniert werden und Änderungen in der Tragfähigkeit oder Robustheit mithilfe der numerischen Modelle erforscht werden.
Dis-3.10) Untersuchung von Stahlbetonbauteilen unter hohen Temperaturen
(Prof. Dinkler, Prof. Krafczyk, Jun.-Prof. Geier, Prof. Lowke)
Das Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonbauteilen im Brandfall ist von unterschiedlichen Degradationsprozessen begleitet. Die Dehydration des Zementsteins führt zum Freisetzen des chemisch gebundenen Wassers, das in der Folge einen Phasenübergang mit steigendem Porendruck bewirkt, der zum Abplatzen der äußeren Betonschicht führen kann. Parallel dazu bewirkt die Erwärmung des Betonstahls eine Veränderung der Trageigenschaften, die letztendlich zum Versagen des Stahlbetonverbundquerschnitts führen kann.
Aus mehreren vorlaufenden Dissertationsvorhaben liegen verschiedene Modelle im Rahmen der Kontinuumsschädigungsmechanik vor, die die Betondegradation, die Änderung der Eigenschaften des Bewehrungsstahles und der Verbundzone im Brandfall beschreiben.
Mit dem jetzt geplanten Vorhaben soll die Entwicklung der Tragfähigkeit von realen Stahlbetonbauteilen unter verschiedenen Brandszenarien numerisch untersucht und mit experimentellen Untersuchungen validiert werden. Dabei wird der Lastfall Brand durch neuartige gaskinetische Verfahren explizit als thermisches, kompressibles und reaktives Fluid modelliert und für praxisrelevante Reynolds- und Rayleigh-Zahlen simuliert. Mit den Ergebnissen sollen Kennlinien für eine Bewertung des Degradationsniveaus und der Resttragfähigkeit von Bauteilen entwickelt werden, die für Sicherheitsnachweise oder Erhaltungsmaßnahmen eingesetzt werden können.
Dis-3.11) Bestimmung der Schädigung von Baustahl mit inversen Methoden
(Prof. Thiele, Prof. Römer, Prof. Dinkler)
Bei vielen bestehenden Stahlbrücken ist infolge der Zunahme des Verkehrsaufkommens eine Neubewertung der Restlebensdauer erforderlich. Diese Bauwerke können lokale Schädigungen aufweisen, die in der Regel unbekannt sind. Der Werkstoffzustand lässt sich physikalisch auf der Mikroskala durch die Spannungskonzentration infolge Mikro- oder Makrokerbe und die Änderung der Materialstruktur (Ex- und Intrusion) erklären. Dieser Mechanismus entspricht der Phase der Rissinitiierung, die die Lebensdauer von Stahlbauteilen im HCF-Bereich bestimmt.
Um die Schädigung und die Restlebensdauer von Stahlbauwerken bewerten zu können, sind der lokale Spannungszustand und die Belastungsgeschichte nötig. Weiterhin ist die Materialänderung auf Makroskala schwer zu detektieren, wenn sich die Spannungen umlagern und die globale Kraft-Verformungs-Beziehung erst kurz vor dem Versagen eine deutliche Veränderung aufweist. Deshalb erfolgt die Berechnung der Restlebensdauer bisher mit Schätzung der Belastungsgeschichte und mit Schadensakkumulation im Nennspannungskonzept. Lokale Effekte werden nur pauschal berücksichtig und die Bewertung auf einfache Geometrien beschränkt.
Mit Hilfe moderner Messtechnik (ESPI) können hochauflösende Dehnungsfelder aufgezeichnet werden [w.120]. Die Veränderung der Materialstruktur unter HCF wird durch die Veränderung der Dehnungsverteilung charakterisiert. Die lokale Konzentration der Dehnungen zeigt im Labor auch den Ort des ersten Anrisses.
Ziel dieses Forschungsthemas ist die Entwicklung eines phänomenologischen Modells zur Beschreibung der Schädigung für Baustahl unter HCF auf Basis von hochauflösenden Dehnungsfeldmessungen. Die Belastungsgeschichte wird mit probabilistischen Methoden und Wiederholungsmessungen beschrieben. Mit Modellen der Kontinuumsschädigungsmechanik wird die Schädigung aus der aktuellen Dehnungsverteilung und ihrer zeitlichen Entwicklung invers bestimmt [w.121], [w.122]. Mit diesem Konzept ist es möglich, die lokale Schädigung realitätsnah zu beschreiben und die Resttragfähigkeit zu berechnen.
Dis-3.12) Auswirkung der mechanischen Alterung von Beton auf das Tragverhalten von Massivbauteilen
(Prof. Empelmann, Prof. Lowke, Prof. Dinkler)
Das Forschungsvorhaben ist mit der Dissertation von Frau Sara Javidmehr vorläufig abgeschlossen.
Dis-3.13) Alterung lebensdauerrelevanter Materialwiderstände instandgesetzter Betonbauteile in Abhängigkeit von mechanischen Kenngrößen
(Prof. Lowke, Prof. Empelmann, Prof. Dinkler)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Stefan Ullmann bearbeitet.
Dis-3.14) Alterungseinflüsse auf das Zusammenwirken einbetonierter Bewehrung und extern aufgeklebter Kohlefaserlamellen bei verstärkten Betonbauteilen
(Prof. Lowke, Prof. Empelmann)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Zhuo Chen bearbeitet.
Dis-3.15) Rissentwicklungen in gealterten Stahlbetonbauteilen
(Prof. Empelmann, Prof. Dinkler, Prof. Krafczyk)
Die Rissbildung ist für den Verbundbaustoff Stahlbeton eine charakteristische Erscheinung. Die auftretenden Risse sind unkritisch, solange die Rissbreite unter Berücksichtigung der Anforderungen aus der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit sowie der ordnungsgemäßen Nutzung des Tragwerks beschränkt wird. Sowohl unter dauernd einwirkenden als auch unter zyklischen Beanspruchungen kommt es einerseits zu einer zunehmenden Rissbildung und andererseits zu einer Veränderung der Rissgeometrie und Rissbreiten, die wiederum Einfluss auf sekundär weitergehende Schädigungsmechanismen (z. B. Korrosion der Bewehrung) haben und über das Tragverhalten sowie die Lebensdauer der Stahlbetonbauteile entscheiden.
Im Rahmen von zunehmend steigenden Beanspruchungen, Abnutzungen und unplanmäßigen Elementarereignissen im Zuge der Alterung eines Bauwerks kommt der sicheren Vorhersage der Rissentwicklung bei Stahlbetonbauwerken eine große Bedeutung zu. Die Erfassung und Beschreibung der Rissbreite erfolgt üblicherweise durch praxisorientierte, deterministische Modelle. In der Realität treten aber komplexere Vorgänge auf, wie z. B. Rissverzweigung, Rissbündelung, Mikrorisse und Tension-Softening im Bereich der Rissufer, die auch eine Beanspruchungs- und Zeitabhängigkeit aufweisen und z. B. durch das Schwinden des Betons, Temperaturbeanspruchungen, seltene oder auch unplanmäßige Belastungen beeinflusst werden.
In diesem Promotionsvorhaben soll das Ziel verfolgt werden, aufbauend auf den Untersuchungen und Erkenntnisse des Forschungsvorhabens „Schädigungsmodelle für die Rissbreitenentwicklung von Stahlbetonbauteilen bei Dauerbelastung“ Ansätze für die Erfassung und Bewertung der Rissentwicklung in gealterten Stahlbetonbauteilen zu erarbeiten, die die oben genannten Effekte unter einer langandauernden Einwirkung oder einer mechanischen Alterung erfassen. Hierzu sind u. a. experimentelle Kleinversuche vorgesehen, die durch numerische Simulationen unterstützt werden. Bei der Auswertung der Rissgeometrie und Rissbreiten ist die Implementierung einer datengetriebenen Rissanalyse (Dis-4.4) für eine möglichst genaue Erfassung der Rissverzweigung, Rissbündelung und Rissufer angedacht.
Dis-3.16) Schädigungsprozesse in faserbewehrtem ultrahochfesten Beton unter zyklischer Zugbeanspruchung – Numerische Untersuchungen
(Prof. Dinkler, Prof. Kowalsky)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Frau Svenja Höper als externe Doktorandin bearbeitet.
Dis-3.17) Numerische Analyse der Tragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen im Brandfall
(Prof. Dinkler, Prof. Krafczyk)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Timo Stein als externer Doktorand bearbeitet.
Dis-3.18) Lebensdauervorhersage von Stahlbauteilen unter High-Cycle-Fatigue mit Hilfe von flächiger Dehnungsmessung
(Prof. Thiele, Prof. De Lorenzis)
Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Anzhi Wang bearbeitet.