Resttragfähigkeit von Tragwerken

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 (z. B. Brand - Baustoffdegradation - Mikrorissbildung - Transport). 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 Dissertationsthemen aus dem Bereich "Resttragfähigkeit"

Dis-3.1) Resttragfähigkeit von Stahlprofilen und Stahltragwerken

(Dinkler, Thiele)

Die Bemessungsvorschriften für stählerne Tragwerke lassen die Bemessung nach Traglastverfahren zu, wenn die Duktilität des Baustoffes sichergestellt ist. Dies setzt voraus, dass die gewählten Stahlprofile entsprechend duktil sind, um die im Einzelfall auftretenden großen Deformationen ohne Widerstandsreduktion aufnehmen zu können.

Ziel des Vorhabens ist ein Modell für die Tragwerksanalyse bei gekoppelten thermomechanischen Prozessen, mit dem die Resttragfähigkeit von Stahltragwerken für Szenarien mit Extremereignissen z. B. bei Erdbeben und Feuer numerisch prognostiziert werden kann.

Für die Ermittlung von infolge planmäßiger Nutzung oder außergewöhnlicher Einwirkungen reduzierten Resttragfähigkeiten von Stahlkonstruktionen sollen die Modelle die Schädigung auf den unterschiedlichen Ebenen "Baustoff", "Bauteil" und "Bauwerk" beschreiben können, siehe hierzu [v.23], [v.24]. Grundlage der Modellbildung sind experimentelle Untersuchungen, mit denen das ratenabhängige Materialverhalten einschließlich Verfestigung und Schädigung bei hochdynamischen Beanspruchungen im Ultra-Low-Cycle-Fatigue-Bereich quantifiziert werden soll. Die Beschreibung des Werkstoffverhaltens soll mit Modellen im Rahmen der Kontinuumsschädigungsmechanik erfolgen, um sie für Tragwerksanalysen mit der FEM verwenden zu können. Schädigungen aus wiederholter, in den Fließbereich reichender Beanspruchung sollen nicht-lokal beschrieben werden, um Werkstoffinstabilitäten realitätsnah erfassen zu können.

Die Berücksichtigung des nicht-lokalen Werkstoffverhaltens bei der Tragwerksanalyse erfordert in der Regel eine sehr feine Diskretisierung, sodass eine effiziente Tragwerksanalyse nur im Einzelfall möglich ist. Daher sollen in der zweiten Phase des Projektes Momenten-Verkrümmungs-Diagramme für Stahlprofile numerisch entwickelt werden, um die bei zyklischer Biegung fortschreitende Schädigung von Stahlprofilen auf Querschnittsebene quantifizieren zu können. Mit den so vereinfachenden Modellen auf Querschnittsebene ist dann eine effiziente Tragwerksanalyse mit Stabwerksmodellen möglich. Die Entwicklung des Tragwerkwiderstandes bei fortschreitender Schädigung soll in entsprechend erweiterten M-N-Interaktions-Diagrammen berücksichtigt werden und könnte die im Erdbeben-Nachweis von Stahltragwerken zulässige Fließgelenktheorie ergänzen.

Dis-3.2) Auswirkung von unplanmäßigen Ereignissen auf mechanisch gealterte Massivbauwerke

(Empelmann, Dinkler)

Die Bemessung von Massivbauteilen erfolgt bei der Bauwerkserstellung, die als "Nullzustand" bezeichnet wird, für charakteristische Einwirkungen und Bauteilwiderstände, die in den jeweils geltenden Normen festgelegt sind. Dabei werden "Grenzzustände" definiert, die mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit nicht überschritten werden dürfen. Dieses Bemessungskonzept ist ausreichend, wenn sich die Einwirkungen normengerecht verhalten und sich die Bauteil- und Baustoffeigenschaften während der geplanten Lebensdauer des Bauwerks nicht signifikant ändern.

Bei Massivbauteilen (Stahl- und Spannbeton) reduzieren aber die im Laufe des Bauwerkslebens auftretenden und nicht zu vermeidenden Alterungsprozesse den Widerstand gegenüber planmäßigen Einwirkungen. Wenn darüber hinaus unplanmäßige oder außergewöhnliche Einwirkungen auf ein Massivbauteil treffen, das einer mechanischen Alterung unterworfen war und bei dem bereits ein reduzierter Bauteilwiderstand vorliegt, ergeben sich neue Fragestellungen. Grundsätzlich führt die zeit- und einwirkungsabhängige Material- und Systemdegradation zu einer Erhöhung des Versagensrisikos.

In diesem Projekt wird das Ziel verfolgt, Schädigungsmodelle für durch Betriebsbeanspruchungen vorgeschädigte (mechanisch gealterte) Stahlbetonbiegebauteile in Bezug auf unplanmäßige bzw. außergewöhnliche Einwirkungen zu entwickeln. Dies soll im Hinblick auf den Schädigungsgrad und die Bestimmung der noch vorhandenen Resttragfähigkeit erfolgen. Hierzu sind u. a. Bauteilversuche vorgesehen, bei denen die Bauteile experimentell zunächst durch eine wiederholte Belastung (z. B. High-Cycle-Fatigue) vorgeschädigt und anschließend einer oder mehreren extremen Einwirkungen unterworfen werden.

Aufgrund der derzeit in der Praxis diskutierten Problemstellungen ist angedacht, dass die Experimente in erster Linie auf die Untersuchung der Querkrafttragfähigkeit abzielen. Gegebenenfalls wäre es auch möglich, beim Rückbau einer Brücke in Braunschweig Träger aus dem Überbau zu sägen, sodass real vorgeschädigte Bauteile vorliegen würden. Diese würden dann den weiteren Untersuchungen unterzogen werden.

Dis-3.3) Schädigungsmodelle für die Rissbreitenentwicklung von Stahlbetonbauteilen bei Dauerbelastung

(Empelmann, Dinkler, De Lorenzis)

Die Rissbildung ist für den Verbundbaustoff Stahlbeton eine charakteristische Erscheinung. Die auftretenden Risse sind unkritisch, solange die Rissbreite unter Berücksichtigung der Anforderungen aus der Gebrauchstauglich- und Dauerhaftigkeit und der ordnungsgemäßen Nutzung des Tragwerks (z. B. Wasserundurchlässigkeit) beschränkt wird.

Sowohl unter dauernd einwirkenden als auch unter dynamischen Beanspruchungen kommt es einerseits zu einer zunehmenden Rissbildung und andererseits zu einer Vergrößerung der Rissbreiten. Die Bildung und Aufweitung der Risse im Beton begünstigt sekundär weitergehende Schädigungsmechanismen (z. B. Korrosion der Bewehrung), die über die Nutzungsdauer des Bauwerks das Tragverhalten und die Lebensdauer wesentlich beeinflussen können.

Im Rahmen von zunehmend steigenden Beanspruchungen, Abnutzungen und unplanmäßigen Elementarereignissen im Zuge der Alterung eines Bauwerks kommt der sicheren Vorhersage der Rissbreiten bzw. der Rissbreitenentwicklung bei Stahlbetonbauwerken eine große Bedeutung zu.

Die Berechnung der Rissbreite erfolgt in Deutschland bei Anwendungsprojekten üblicherweise mit den Angaben im Eurocode 2 durch ein praxisorientiertes, deterministisches Modell, wobei ein Abbau der Verbundsteifigkeit infolge des so genannten Verbundkriechens berücksichtigt wird. Weitere, bisher nicht erfasste Einflussparameter sind u.a. der Rissbildungszustand (Erstriss- oder abgeschlossene Rissbildung), das Spannungs-niveau bei Erstrissbildung, das Schwinden des Betons, Wärmebeanspruchungen, seltene oder auch unplanmäßige Belastungen sowie die Art der Beanspruchung (zug- oder biegebeansprucht).

In diesem Teilprojekt soll das Ziel verfolgt werden, Schädigungsmodelle für gerissene Stahlbetonbauteile zu entwickeln, die neben einer langandauernden Einwirkung auch einer mechanischen Alterung (d. h. wiederholte bzw. dynamische Beanspruchungen) unter-worfen sind. Hierzu sind u. a. experimentelle Bauteilversuche unter wiederholter Belastung vorgesehen, wobei insbesondere die Einflussgrößen der mechanischen Alterung (d.h. Beanspruchungsniveau, Höhe der Lastamplitude, Lastwechselzahlen, Lastkollektive, etc.) variiert werden sollen.

Dis-3.4) Dauerschwingfestigkeit von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund

(Empelmann, Dinkler, Thiele)

Tragende Brückenbauteile, die beträchtlichen Spannungsänderungen unter nicht vorwiegend ruhenden Einwirkungen unterworfen sind, müssen gegen Ermüdung bemessen werden. Der Nachweis gegen Ermüdung für Beton- und Spannstahl gilt als erbracht, wenn die schädigungsäquivalente Spannungsschwingbreite auf der Einwirkungsseite kleiner als die Spannungsschwingbreite für die betreffende Lastzyklenzahl aus der Wöhlerlinie auf der Widerstandsseite ist. Dabei gelten die Parameter der Wöhlerlinien in den jeweiligen Normen für den eingebauten Zustand.

Zur Dauerschwingfestigkeit von Spanngliedern unter dynamischer Beanspruchung im eingebauten Zustand liegen experimentelle Untersuchungen vor, welche die verschiedenen Parameter (z. B. sofortige oder nachträgliche Vorspannung, Stahlblech- oder Kunststoffhüllrohre, Vorspanngrad, Höhe der Schwingbreiten, Lastspielzahlen) erfassen. Hierbei zeigt sich, dass gekrümmt geführte Spannglieder mit Stahlblechhüllrohren eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Reibermüdung bzw. Reibkorrosion aufweisen. Dieses Phänomen ist aus dem Maschinenbau bekannt, aber für die im Bauwesen vorliegenden Verhältnisse nur unzureichend modelltheoretisch erfasst. Daher werden in der Regel großmaßstäbliche Versuche durchgeführt, die dann weitgehend empirisch ausgewertet werden.

In diesem Teilprojekt soll das Ziel verfolgt werden, Schädigungsmodelle für die Dauerschwingfestigkeit von Spannstählen unter dynamischer Beanspruchung im eingebauten Zustand zu entwickeln. Dieses soll zunächst auf Basis der vorhandenen experimentellen Versuchsergebnisse erfolgen. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die Erfassung der Kontaktzone zwischen dem Spannglied (in der Regel als Bündelspannglied ausgeführt) und dem profilierten Stahlblechhüllrohr mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Hieraus soll ein besseres Verständnis für die wesentlichen Parameter, wie z. B. Anpressdruck und Relativverschiebung, gewonnen werden. Es wird vermutet, dass hier auch eine Veränderlichkeit in Abhängigkeit der Lastzyklenzahl vorliegt, die erfasst werden muss. Auf Basis der theoretischen Modelle sollen auch Überlegungen zu experimentellen Versuchen im Kleinmaßstab erfolgen, die als Äquivalent zu den aufwendigen und kostspieligen Großversuchen dienen können.

Dis-3.5) Modelle zur Beschreibung des Widerstands von gealterten Stahlbetonbauteilen gegen extreme Einwirkungen

(Budelmann, De Lorenzis)

Der Widerstand von Stahlbetonbauwerken gegen extreme Einwirkungen ist in hohem Maße abhängig von Vorschädigungen, die das Bauwerk während seiner planmäßigen Nutzung erfährt. Häufige Schädigungen sind z. B. die Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Karbonatisierung oder Chlorideinwirkung, oder die Betondegradation durch Frost. Diese Prozesse sind zeitabhängig. Sie setzen auf der Materialebene an, degradieren die Baustoffe und schwächen so das Trag- und Gebrauchsverhalten der Bauteile. Um den tatsächlich vorhandenen Widerstand eines Bauteils gegen extreme Einwirkungen zu einem bestimmten Zeitpunkt beurteilen zu können, muss der aktuelle Materialzustand unter Beachtung der Bauwerks- bzw. Bauteilgeschichte im Modell beschrieben und auf der Bauteilebene umgesetzt werden.

Im Projekt sollen Modelle entwickelt werden, welche die Degradation der mechanischen Eigenschaften des Stahlbetons infolge langfristiger, dauerhaftigkeitsreduzierender Einwirkungen beschreiben. Darauf aufbauend wird das Verhalten von Stahlbetonbauteilen unter extremen Einwirkungen modelliert. Die Resttragfähigkeit und die entstandenen Schäden sollen beschreibbar werden.

Die Modellgrundlagen sollen auf der Materialebene entwickelt werden, um den Schaden sowie den Restwiderstand von Stahlbetonbauteilen nach extremen Einwirkungen bestimmen zu können. Es sollen ingenieurmäßige Modellansätze entwickelt werden, mit denen das mechanische Verhalten des geschädigten Stahlbetons in Form parametrisierter empirischer Stoffmodelle beschrieben wird. Diese Ansätze sollen auf der Materialebene für die Komponenten Beton, Bewehrungsstahl und Verbund entwickelt und überprüft werden. Sie berücksichtigen die Betonentfestigung, die Bewehrungskorrosion und deren Wirkung auf den Verbund. Dabei muss beachtet werden, dass die Schädigungsprozesse und die Materialdegradation sich gegenseitig beeinflussen. Zunächst sollen im wesentlichen Biegebauteile betrachtet werden.

Das mechanische Verhalten der Komponenten Beton, Stahl und Verbund wird in Form von Arbeitslinien in Abhängigkeit von allgemeinen Schädigungsparametern dargestellt. Das auf der Mikroebene beschriebene Materialverhalten wird anschließend soweit möglich direkt auf der Querschnittsebene oder mit Hilfe der FEM durch die Kopplung der Komponenten zum Stahlbetonquerschnitt auf die Bauteilebene übertragen. Dort wird das mechanische Verhalten von Bauteilen in Form von Last-Verformungsbeziehungen beschrieben. Diese enthalten die Parameter zur Modellierung unter kurzzeitiger und auch zyklischer Belastung, wie sie unter extremen Einwirkungen auftreten. Die Berechnung erfolgt anhand von 3D-Modellen von Bauteilabschnitten, um Verbund und Rissbildung abbilden zu können.

Dis-3.6) Alterung und Ermüdung des Verbundes auf Beton geklebter Bewehrung

(Budelmann, Matthies)

Eine Methode zur Ertüchtigung von Brücken an Bundesfernstraßen ist das Verstärken mit aufgeklebter Bewehrung. Die zusätzliche Armierung führt zu einer höheren Belastbarkeit und kann ebenso eine Verlängerung der Lebensdauer bewirken. Dabei ist zu beachten, dass die Armierung und insbesondere der Klebeverbund selbst Alterungserscheinungen und Ermüdungsschädigungen durch wiederholte Belastung und Dauerlasten erfahren. In der Regel erfolgt das Versagen einer aufgeklebten Bewehrung auf Beton durch Kohäsionsbruch im Beton unter der Klebeschicht.

Der Fokus des Projektes liegt auf der Modellierung der Rissbildung im oberflächennahen Beton unterhalb der aufgeklebten Bewehrung unter zyklischer Belastung und unter Dauerlast. Untersucht werden soll der Einfluss des Betongefüges auf den Rissfortschritt. Denn diverse Untersuchungen zeigen, dass die Vorbehandlung und auch die Zusammensetzung des Betonuntergrundes, insbesondere die Zusammensetzung der Gesteinskörnung, einen entscheidenden Einfluss auf den Verbund haben. Die komplexen Zusammenhänge werden derzeit in den Modellen zur Bemessung von Klebeverstärkungen nur vereinfachend berücksichtigt, zumeist durch empirische Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen für wiederkehrende Belastungen, die plastische Verformungen und Schädigungen berücksichtigen. Zutreffendere Modelle zur Beschreibung der Ablösung aufgeklebter Bewehrung unter zyklischer Belastung und unter Dauerlast beziehen die Rissfortschrittsrate ein, berücksichtigen aber bisher nicht die oben erläuterten Zusammenhänge.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Rissbildung unter zyklischer Beanspruchung und Dauerbelastung an Betonen mit unterschiedlicher Vorbehandlung der Klebefläche und unterschiedlichem Größtkorn experimentell zu untersuchen und verbesserte Modelle für den Einfluss der Betongefügestruktur und die Lage des Verbundrisses zu entwickeln. Die Problemstellung soll in einem experimentellen und einem analytischen Teil untersucht werden.

Im experimentellen Teil sollen Scherversuche an auf Beton geklebten Kohlefaserlamellen unter Dauerlast und unter zyklischer Beanspruchung durchgeführt werden. Während der Versuche werden Schlupfzunahme und Dehnungsverteilung mit Wegaufnehmern, DMS und optischen Verfahren beobachtet. Der Rissfortschritt wird zudem durch Scans im Computertomographen beobachtet. Im analytischen Teil der Arbeit sollen die Ergebnisse der o.g. Kurzzeitversuche mit numerischen Simulationen an Modellen auf Mikroebene nachvollzogen werden, die sowohl die Gesteinskörnung als auch den Zementstein im Beton, und somit den Ort der Rissentstehung im Gefüge, berücksichtigen. Auf Basis der CT-Scans lässt sich ein Modell der Betonoberfläche und der aufgeklebten CFK-Lamelle generieren, an dem numerische Simulationen durchgeführt werden können, mit denen die Rissbildung in den Kurzzeitversuchen nachvollzogen werden kann. Mit Hilfe des am Experiment validierten Rechenmodells soll der Einfluss der Vorbehandlungsintensität auf die Oberflächenparameter von Klebefläche und Bruchfläche geklärt werden.