Zum Tragverhalten von ultrahochfestem Stahlfaserbeton unter zyklischer Zugbeanspruchung
Ultrahochfester Beton (UHFB) ist ein moderner Baustoff, der vorzugsweise für schlanke und gewichtsoptimierte Bauteile eingesetzt wird. Werden dünnwandige UHFB-Bauteile zyklisch beansprucht, sind sie aufgrund ihrer höheren Ausnutzung ermüdungsanfälliger als konventionelle Stahlbetonbauteile. Bislang ist unklar, inwieweit die vorhandene Faserbewehrung das Tragverhalten von UHFB-Bauteilen unter zyklischer Zugbelastung beeinflusst, und ob sie einen nennenswerten Beitrag bzw. Widerstand dagegen aufweist.
Das Ziel der Arbeit ist die Erweiterung des mechanischen und phänomenologischen Verständnisses der Fasertragwirkung von hochfesten Mikrostahlfasern in UHFB unter zyklischer Zugbelastung. Zudem soll ein Ansatz erarbeitet werden, womit eine Fasertragwirkung in UHFB unter zyklischer Zugbelastung rechnersich bzw. modelltheoretisch berücksichtigt werden kann.
Das Verständnis der Fasertragwirkung wird über grundlegende Analysen zur UHFB-Faser-Interaktion im Rahmen eines Forschungsvorhabens im SPP 2020 der Deutschen Forschungsgemeinschaft gewonnen. Hierbei wurden auch umfangreiche bildgebende Verfahren (z. B. REM-Aufnahmen von Faseroberflächen) eingesetzt, die deutliche Unterschiede im Tragverhalten unter statischer und zyklischer Belastung zeigen.
Die Berücksichtigung einer Fasertragwirkung in UHFB unter zyklischer Zugbeanspru-chung wird über einen Modellansatz realisiert, der sich an den Randbedingungen einer Wöhlerlinie orientiert und mithilfe einer neuartigen Auswertemethodik berechnet wird. Die hierfür notwendigen Eingangswerte werden aus einem konsekutiv aufgebauten Versuchsprogramm gewonnen, welches Untersuchungen sowohl am faserbewehrten UHFB als auch an den einzelnen Baustoffbestandteilen beinhaltet. Der Kern der Methodik ist die Auswertung des spezifischen Tragverhaltens jeder Einzelfaser in einem UHFB-Querschnitt. Hierzu wird zum einen eine geometrische Analyse der Faserverteilung durchgeführt, sodass die Anzahl, die Einbindetiefe und die Orientierung der Fasern bekannt sind. Zum anderen werden mithilfe von Auszugsversuchen Wöhlerlinien für den Faserverbund berechnet, die für die Orientierung der Faser parametrisiert sind. Die Wöhlerlinien werden den geometrisch analysierten Fasern zugeordnet. Die Tragwirkung der Fasern wird über einen Summenansatz zusammengefasst und auf die gesamte Anzahl an Fasern im Querschnitt bezogen. Im Ergebnis entsteht ein Wöhleransatz für den gesamten UHFB-Querschnitt. Der ermittelte Wöhleransatz wird an zwei großformatigen Biegezugversuchen angewendet und vailidert, um die Verbindung und Übertragung auf Realbauteile herzustellen.
Ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) is a modern building material that is preferably used for slender and weight-optimised components. If thin-walled UHPFRC components are subjected to cyclic loading, they are more susceptible to fatigue than conventional reinforced concrete components due to their higher utilisation. To date, it is unclear to what extent the existing fibre reinforcement influences the load-bearing behaviour of UHPFRC components under cyclic tensile loading and whether it has a significant contribution or resistance to it.
The aim of the thesis is to expand the mechanical and phenomenological understanding of the fibre bearing effect of high-strength micro steel fibres in UHPFRC under cyclic tensile loading. In addition, an approach will be developed with which a fibre bearing effect in UHPFRC under cyclic tensile loading can be taken into account in calculations or model theory.
The understanding of the fibre bearing effect is gained through fundamental analyses of the UHPC-fibre interaction as part of a research project in the SPP 2020 of the German Research Foundation. Extensive imaging methods (e.g. SEM images of fibre surfaces) were also used here, which show clear differences in load-bearing behaviour under static and cyclic loading.
The consideration of a fibre load-bearing effect in UHPFRC under cyclic tensile loading is realised using a model approach that is based on the boundary conditions of an S/N-line and is calculated using a novel evaluation method. The input values required for this are obtained from a consecutively structured test programme, which includes tests on the fibre-reinforced UHPC as well as on the individual material components. The core of the methodology is the evaluation of the specific load-bearing behaviour of each individual fibre in a UHPFRC cross-section. On the one hand, a geometric analysis of the fibre distribution is carried out so that the number, embedded length and orientation of the fibres are known. Secondly, pull-out tests are used to calculate S/N-lines for the fibre composite, which are parameterised for the orientation of the fibres. The S/N-lines are assigned to the geometrically analysed fibres. The load-bearing effect of the fibres is summarised using a summation approach and related to the total number of fibres in the cross-section. The result is a S/N-approach for the entire UHPFRC cross-section. The determined S/N-approach is applied to two large-scale bending tensile tests and validated in order to establish the connection and transfer to real components.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
