Haslwanter, M. (2022). Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von UHPFRC mit zusätzlicher Betonstahlbewehrung [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2022.84865
Die fortschreitende Entwicklung von Ultrahochleistungsbeton (UHPC) erfordert konsequentes,werkstoffgerechtes Konstruieren. Dies führt zu leichten und filigranen Tragstrukturen, welche sich von klassischen Massivbauwerken aus Normalbeton unterscheiden. Durch das verringerte Eigengewicht führt der Bau von aufgelösten Tragwerksstrukturen dazu, dass dynamische Beanspruchungen gegenüber den ruhenden Lasten immer mehr an Bedeutung gewinnen. Wegen seiner hervorragenden Eigenschaften wird UHPC aber auch zunehmend für die Ertüchtigung von bestehenden Infrastrukturbauwerken eingesetzt. Zum Beispiel können Straßenbrücken mit geringem Materialaufwand durch eine Aufbetonschicht dauerhaft verstärkt werden. Dabei spielen vor allen die durch das wachsende Verkehrsaufkommen einwirkenden, höheren Ermüdungsbeanspruchungen eine wichtige Rolle. Erfahrungen aus dem Stahlbetonbau und die in Österreich gültigen Regelwerke zur Beschreibung des Tragverhaltens sind beim Ultrahochleistungsbeton nur begrenzt gültig.Eine wesentliche Unbekannte dies bezüglich bildet das Verhalten unter Ermüdungsbeanspruchung.Im Zuge dieser Diplomarbeit wurden experimentelle Untersuchungen zum Zugtragverhalten von faserbewehrten Ultrahochleistungsbetonen (UHPFRC) mit Stabstahlbewehrung unter statischer- und Ermüdungsbeanspruchung durchgeführt. Für die Versuche kamen zwei verschiedene UHPFRC-Feinkorn-Rezepturen mit unterschiedlichem Fasergehalt zum Einsatz, die im Zuge des Forschungsprojektes „UHPC Austria“ entwickelt und bereits an ähnlichen Versuchen untersucht worden sind. Wesentlich für die Versuchsdurchführung war die Anwendung eines neuen faseroptischen Messsystems, dass seit Ende 2020 am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien zur Verfügung steht. Das Verfahren der kontinuierlichen faseroptischen Messung erlaubt eine detaillierte Auswertung der Dehnungen entlang des Probekörpers.Im ersten Teil der Arbeit wird das notwendige Basiswissen zum Tragverhalten von gemischt bewehrten Betonzugstäben sowie zum Ermüdungsverhalten von UHPC aufbereitet. Dabei wird auf Erfahrungen aus der Literatur verwiesen. Danach folgt eine detaillierte Beschreibung derexperimentellen Versuche. Diese beinhaltet unter anderem eine Erläuterung des faseroptischen Messverfahrens. Es wird auf die Konfiguration aus Messgerät und Glasfaserkabel eingegangen,sowie der Prozess rund um die Faserapplikation auf den Versuchskörper genau beschrieben.Für die Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens unter Zugschwellbeanspruchung wurde ein klassischer, kraftgeregelter, einstufiger Wöhlerversuch mit einer Lastwechselobergrenze von 2 · 106 Lastzyklen durchgeführt. Vor Beginn der dynamischen Versuche erfolgte durch Vorbelastung der bewehrten UHPFRC-Probekörpern eine absichtlich induzierte Rissbildung (Pre-Cracking). Die Unter- und Oberlasten für den Ermüdungsversuch richteten sich nach der tatsächlich wirkenden Kraft im Betonquerschnitt des UHPFRC-Probekörper während der Vorbelastung und wurden individuell mit Hilfe des kontinuierlichen faseroptischen Messverfahrens errechnet. Die gewonnen Ergebnisse ermöglichen die Analyse des Schädigungsverlaufes in bewehrten UHPFRC-Bauteilen unter Ermüdungsbeanspruchung und die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung eben dieses Verlaufes. Besonders überraschend waren die hohen ertragbaren Oberlasten bei den Ermüdungsversuchen, welche sich durch die unerwartet großen Eigenspannungen ergaben. Trotz allem erreichten alle Prüfkörper die geplante Lastwechselobergrenze und wiesen beim Post-FatigueVerhalten eine ähnlich hohe ertragbare Betonspannung auf wie beim Pre-Cracking. Der gezielte Einsatz von faseroptischen Sensoren leistete ein wertvollen Beitrag und lieferte aussagekräftige Messdaten.
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The progressive development of ultra-high performance concrete (UHPC) requires consistent,material-specific design. This leads to lightweight and filigree load-bearing structures that are quite different from classic solid works made of normal concrete. Due to the reduced dead weight, the construction of dissolved load-bearing structures leads to the fact that dynamic loads become more and more important compared to static loads. However, because of its excellent properties, UHPC is also increasingly being used for the retrofitting of existing infrastructure structures. Road bridges, for example, can be permanently reinforced with a layer of concrete atlow material cost. The higher fatigue loads caused by the growing traffic play an important rolein this context. Experiences from reinforced concrete construction and the regulations valid inAustria for the description of the load-bearing behavior are only valid to a limited extent for ultra-high performance concrete. A significant unknown in this respect is the behavior under fatigue loading.As part of this master thesis, experimental investigations into the tensile behavior of fiber reinforced ultra-high-performance concrete (UHFB) with bar reinforcement under static and fatigue loading were carried out. For the tests, two different UHPFRC-mixtures with differentfiber contents were used, which were developed in the course of the research project “UHPCAustria” and had already been investigated on similar tests. A decisive factor in the execution of the tests was the use of a new fiber-optic measurement system that has been available since theend of 2020 at the Institute of Structural Engineering of the TU Wien. The method of continuousfiber optic measurement allows a detailed evaluation of the strains along the specimen.In the first part of the work, the necessary basic knowledge on the load-bearing behavior of mixed-reinforced concrete tension members and on the fatigue behavior of UHPC is prepared.Experiences from the literature are referred to. This is followed by a detailed description of the experimental tests. This includes, among other things, an explanation of the fiber optic measurement procedure. The configuration of the measuring device and fiber optic cable is discussed, and the process around the fiber application on the test specimen is described indetail. For the fatigue behavior studies under tensile swell loading, a classical, force-controlled,single-stage Wöhler test with an upper load cycle limit of 2 · 106 load cycles was performed.Before the beginning of the dynamic tests, the reinforced UHPFRC specimens were prestressed in order to induce cracks in advance (precracking). The bottom and top loads for the fatigue testwere based on the actual force acting in the concrete cross-section of the UHPFRC specimen during preloading and were individually calculated using the continuous fiber optic measurement method. The results obtained allow the analysis of the damage progression in reinforced UHPFRC members under fatigue loading and the development of a model to describe this same damage progression. Particularly surprising were the high tolerable upper loads in the fatigue tests,which resulted from the unexpectedly large residual stresses. Despite all this, all test specimens reached the planned load change upper limit and exhibited a similarly high endurable concretestress in the post-fatigue behavior as in the pre-cracking. The targeted use of fiber optic sensorsmade a valuable contribution and provided meaningful measurement data.