Untersuchung des Einflusses der Rissbreite auf das Ermüdungsverhalten von Ultrahochleistungsfaserbetonen unter Zugschwellbeanspruchung

Abstract

Die Notwendigkeit der Instandsetzung von Verkehrsinfrastrukturbauten wie Straßen- und Bahnbrücken ist infolge der zunehmenden Mobilität stark gestiegen. Die Fahrbahnplatten von Brücken werden höheren dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die Aufbringung von Ultra High-Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC) Schichten auf den bereits existierenden Fahrbahnplatten stellen eine Ertüchtigungsmethode dar, die im Vergleich zum konventionellen Stahlbeton geringere Bauhöhen ermöglicht. Es ist davon auszugehen, dass in diesen Aufbetonschichten aufgrund von z.B. Schwinden oder thermischen Gradienten Risse entstehen. Die Fasern in diesen Ultrahochleistungsbetonen weisen rissüberbrückende Eigenschaften auf. Damit ist eine Zugkraftübertragung über den Riss möglich.Um die Sicherheit eines Infrastrukturbauwerkes über die Lebensdauer gewährleisten zu können, ist die Kenntnis der Ermüdungsfestigkeit solcher Bauteile von Bedeutung. Der Fokus der vorliegenden Diplomarbeit liegt darin, neue Erkenntnisse über den Einfluss der Rissbreite auf das Ermüdungsverhalten von UHPFRC unter Zugschwellbeanspruchung zu schaffen. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen an vorgerissenen (Pre-Cracked) Versuchskörpern durchgeführt. Die untersuchten Versuchskörper wurden nach Betonrezepturen hergestellt, welche im Rahmen der UHPC-Richtlinienerstellung von der Österreichischen Bautechnikvereinigung (ÖBV) entwickelt wurden. Es handelt sich um zwei UHPFRC-Feinkorn-Rezepturen, die einen unterschiedlichen Fasergehalt und daraus resultierend, eine unterschiedliche Zugtragfähigkeit und ein unterschiedliches Nachbruchverhalten aufweisen. Die experimentellen Untersuchungen beinhalten Untersuchungen an Versuchskörpern mit unterschiedlichen eingeprägten Rissbreiten vor dem Aufbringen der eigentlichen Ermüdungsbeanspruchung mit einer maximalen Lastwechselobergrenze N von 2x106. Die erhaltenen Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen wurden anhand von Wöhlerdiagrammen, „Cycle Creep Cruves“ und Fraktographie ausgewertet und durch die im Rahmen einer ausführlichen Literaturrecherche über den Stand der Technik gewonnen Erkenntnisse beschrieben und beurteilt.Die zentrale Erkenntnis, die im Rahmen dieser Diplomarbeit gewonnen werden konnte, war, dass der Übergang von Phase II in die Phase III des Schädigungsverlaufes von UHPFRC unter Ermüdungsbeanspruchung mit dem Beginn des Strain-Softening Bereiches der statischen Kurve übereinstimmt. Bezüglich des Einflusses der Rissbreite auf das Ermüdungsverhalten von UHPFRC unter Zugschwellbeanspruchung zeigten die experimentellen Untersuchungen, dass die Erhöhung der Rissbreite eine Reduzierung des Ermüdungswiderstandes von UHPFRC zur Folge hat.

The necessity for restoration of the transport infrastructures such as road and rail bridges has risen sharply due to increase in mobility. As a result, deck slabs of bridges are exposed to higher dynamic loads. The application of (Ultra High-Performance Fibre Reinforced Concrete) UHPFRC layers on the existing deck slabs represent a rehabilitation method that enables lower construction heights compared to conventional reinforced concrete. It can be assumed that cracks develop in these concrete layers due to e.g., shrinkage or thermal gradients. The fibres in these Ultra High-Performance concretes have crack-bridging properties. This enables tensile forces to be transmitted across the crack.In order to be able to guarantee the safety of an infrastructure over its service life, the knowledge of the fatigue strength of such construction components is important. The focus of the present thesis is to gain new knowledge on the influence of the crack width on the fatigue behaviour of UHPFRC under cyclic tensile load. For this purpose, experimental investigation was carried out on pre-cracked test specimens. The investigated specimens were manufactured according to concrete mixtures that were developed within the framework of creation of a guideline for UHPC by the Austrian Construction Technology Association (Österreichische Bautechnikvereinigung (ÖBV)). The chosen mixtures are two UHPFRC fine grained mixtures with different fibre content and, as a result, different tensile strengths and different post-cracking behaviour. The experimental investigations include investigations on specimens with different crack widths before application of the fatigue stress with a maximum load cycle limit N of 2x106. The results obtained from the experimental investigations are evaluated on the basis of Wöhler Diagrams, Cycle Creep Curves and Fractography and are described and assessed using the knowledge gained from an extensive literature research on the State of the Art.The core finding that could be gained through this experimental investigation is that the transition from phase II to phase III of the damage progression of UHPFRC under fatigue stress coincides with the beginning of the Strain-Softening area of the static curve. With regard to the influence of the Pre-Cracking width on the fatigue behaviour of UHPFRC under cyclic tensile load, the experimental investigations showed that an increase of the crack width results in a reduction of the fatigue resistance.