Nachriss-Ermüdungsverhalten von überkritischem Stahlfaserbeton

Abstract

Die Anwendung von Stahlfaserbeton beschränkt sich vorwiegend auf statische Belastungssituationen, da sämtliche Regelwerke wie Richtlinien und Normen darauf verweisen, den Beitrag der Fasern unter Ermüdung zu vernachlässigen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Ermüdungsverhalten, insbesondere von gerissenem, überkritischem Stahlfaserbeton unter Zug- und Biegezugbeanspruchung vor Erreichen der Maximallast, bislang nur unzureichend untersucht wurde. Ziel dieser Arbeit ist daher, das Nachriss-Ermüdungsverhalten von überkritischem Stahlfaserbeton mittels zyklischer Biegezugversuche im Nachrissbereich vor Erreichen der Maximallast systematisch zu untersuchen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird zusätzlich ein Dauerzeitfestigkeitsschaubild modelliert, das es ermöglicht, einen Nachweis zur Spannungsbegrenzung zu führen. Hierfür wird zu Beginn ein detaillierter Überblick über die theoretischen Grundlagen zum Tragverhalten von überkritischem Stahlfaserbeton sowie zur Ermüdung von Beton und Stahlfaserbeton gegeben. Dann werden experimentelle Untersuchungen an Stahlfaserbetonprobekörpern vorgestellt. Zunächst wurde eine Betonrezeptur entwickelt, die ein ausreichend überkritisches Materialverhalten aufweist; dabei handelt es sich um einen Normalbeton mit einer Gesteinskörnung des Größtkorns Rundkorn und einem Fasergehalt von 50 kg/m3 bzw. 0.64 Vol.-% des Typs Dramix 5D. Auf Basis dieser Betonrezeptur wurden zur Untersuchung des Nachriss-Ermüdungsverhaltens mithilfe von Drei-Punkt-Biegeversuchen zyklische Biegezugversuche im Nachrissbereich vor dem Erreichen der Maximallast durchgeführt. Die Probekörper wurden hierzu zunächst statisch über die Betonerstrissbildung hinaus vorbelastet und anschließend mit unterschiedlichen Spannungsschwingbreiten und Oberspannungen zyklisch beansprucht. Die Oberspannung blieb dabei immer unter der statischen Maximallast. Bei einigen Probekörpern erfolgte zudem, nach der Betonerstrissbildung und vor dem Aufbringen der zyklischen Beanspruchung, zunächst eine statische Entlastung. Darüber hinaus wurden vor den Ermüdungsversuchen rein statische Versuche mit identischem Versuchsaufbau durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Versagen vorwiegend auf eine Ermüdung des Verbunds zurückzuführen ist. Es werden Abhängigkeiten des Nachriss-Ermüdungsverhaltens von der Nachrissbiegezugfestigkeit, der Betonage, der effektiven Faseranzahl, dem Faserschwerpunkt für die effektive Faseranzahl, der Oberspannung und der Spannungsschwingbreite festgestellt. Die Oberspannung und Spannungsschwingbreite wirken sich dabei auf die Anzahl der ertragbaren Lastwechsel, das Rissöffnungsinkrement und das Rissöffnungsinkrement pro Lastwechsel aus. Dabei weisen Probekörper, die frühzeitig versagten, ein höheres Rissöffnungsinkrement und Rissöffnungsinkrement pro Lastwechsel auf als solche, die zu Durchläufern führten. Zudem hängt das Erreichen von Durchläufern maßgeblich vom Verhältnis zwischen Oberspannung und Spannungsschwingbreite ab. Darüber hinaus zeigt sich, dass es bei Durchläufern zu einer kontinuierlichen Zunahme der Rissöffnung kam, während bei Probekörpern, die frühzeitig versagten, die Rissöffnung von Beginn an diskontinuierlich zunahm. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird ein Dauerzeitfestigkeitsschaubild modelliert, welches die Ermüdungsfestigkeit exakt am Übergang zwischen Zeit- und Dauerzeitfestigkeitsbereich abbildet. Dieses Schaubild ermöglicht es, für die festgelegte Betonrezeptur einen Nachweis zur Spannungsbegrenzung zu führen. Abschließend werden die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick gegeben über die Anwendung sowie auf die Bereiche, in denen noch Forschungspotenzial besteht.

The application of steel fiber reinforced concrete is mainly limited to static loading situations, as all codes and standards specify that the contribution of fibers under fatigue should be neglected. This is due to the fact that the fatigue behavior of cracked, supercritical steel fiber reinforced concrete under tensile and flexural tensile loading prior to reaching the maximum load has so far been insufficiently investigated. The aim of this work is therefore to systematically investigate the post-cracking fatigue behavior of supercritical steel fiber reinforced concrete through cyclic flexural tensile tests in the post-cracking regime prior to reaching the maximum load. Based on these findings, a high cycle fatigue strength diagram is additionally modeled, enabling verification of stress limits. For this purpose, a detailed overview of the theoretical fundamentals of the structural behavior of supercritical steel fiber reinforced concrete as well as the fatigue of concrete and steel fiber reinforced concrete is provided. Then, experimental investigations on steel fiber reinforced concrete specimens are presented. Initially, a concrete mix was developed that exhibits sufficiently supercritical material behavior; this is a normal concrete with rounded aggregate of maximum aggregate and a fiber dosage of 50 kg/m3 or 0.64 Vol.-% of type Dramix 5D. Based on this concrete mix, to investigate the post-cracking fatigue behavior, cyclic flexural tensile tests in the post-cracking regime, prior to reaching the maximum load, were carried out using three-point bending tests. For this, the specimens were first statically preloaded beyond first cracking and then subjected to cyclic loading with different stress ranges and maximum stress levels. The maximum stress level always remained below the static maximum load. In some specimens, after first cracking and before the application of cyclic loading, an initial static unloading was performed. In addition, static tests with an identical test setup were carried out prior to the fatigue tests. The results show that failure is predominantly attributable to fatigue of the bond. Dependencies of the post-cracking fatigue behavior on the residual flexural tensile strength, concrete batch, effective fiber number, fiber centroid for the effective fiber number, maximum stress and stress range are identified. The maximum stress and stress range influence the number of load cycles to failure, the crack opening increment, and the crack opening increment per cycle. Specimens that failed prematurely exhibited higher crack opening increments and crack opening increments per cycle than run-out specimens. Moreover, achieving run-out behavior strongly depends on the ratio of maximum stress to stress range. In addition, it is evident that for run-out specimens the crack opening increased continuously, whereas for specimens that failed prematurely the crack opening exhibited a discontinuous growth from the start. Based on these findings, a high cycle fatigue strength diagram is modeled that represents the fatigue strength precisely at the transition between finite life and high cycle regions. This diagram makes it possible to verify stress limits for the defined mix. Finally, the main findings of this work are summarized, and an outlook is given on the application, as well as on areas where further research is needed.