Numerische Simulation von Verankerungen parallel-litziger Schrägkabel- und Vorspannsysteme unter Dauerschwing- und statischer Zugbelastung = Numerical simulation of fatigue and tensile tests on anchorage systems for parallel strand stay cable and prestressing systems

Abstract

Im Zuge eines FFG-Forschungsvorhabens konnten an der Technischen Universität Wien am Institut für Tragkonstruktionen-Betonbau mit einer Resonanzprüfmaschine Ermüdungs- und statische Zugversuche an Vorspann- sowie Schrägkabelsystemen durchgeführt werden. Getestete Parallellitzensysteme bestehen auf der freien Länge aus parallel verlaufenden Monolitzen, welche an den Kabelenden mittels Keilverankerungen fixiert sind. Obwohl die Dauerschwingversuche einen hohen Arbeitsaufwand erfordern, sind ausschließlich Aussagen betreffend des Versagenszeitpunktes möglich. Die Spannungs- und Deformationszustände bis hin zum Bruchvorgang innerhalb der kritischen Verankerungen sind experimentell nicht bestimmbar, weshalb deren Analyse das Hauptziel dieser Arbeit ist. Sowohl für Dauerschwing- als auch statische Zugversuche manifestiert sich, nach fraktographischen Schadensanalysen, eine überwiegende Mehrheit der Bruchvorgänge in Kontaktinteraktionszonen (KIZ) innerhalb der Spannverankerungen. Die numerische Berechnung einer mehrlitzigen Verankerung lässt den Schluss zu, dass für ein Schrägkabel- bzw. Vorspannsystem die Beschränkung auf Detailbereiche sinnvoll ist. Die Begrenzung des Untersuchungsbereiches auf die KIZ der einzelnen Monolitzen innerhalb des Verankerungsverbandes erlaubt die Berücksichtigung von Nichtlinearitäten bei der Beschreibung der lokalen, komplexen Versagensmechanismen. Mit der Verifizierung der FE-Modelle durch Heranziehung der Versuchsergebnisse kann die mechanische Beanspruchung analysiert und in weiterer Folge ein Beitrag zum Verständnis der maßgebenden Versagensmechanismen geleistet werden. Die Ergebnisse deuten auf eine große Streubreite der Rissinitiierungsphase hin, welche im Vergleich zur stabilen Risswachstumsphase den überwiegenden Anteil der Gesamtlebensdauer einnimmt. Eine kurze, instabile Rissfortpflanzungsphase führt schließlich zu einem spröden Restgewaltbruch. Hinsichtlich des Versagensverlaufes liefert der Vergleich mit experimentellen Versuchsauswertungen befriedigende Ergebnisse. Die als Basis für weiterführende numerische Studien dienende Vorgehensweise hat das Potential, die kritischen Detailbereiche zu analysieren, und damit zu einer weiteren Verbesserung genannter Systeme beizutragen.

In a research project at Vienna University of Technology, a resonance testing facility could be validated to carry out fatigue and static test series on stay cable and pre-stressing systems. Tested parallel strand systems consist of pre-stressing steel monostrands in the free length of the tendons and two wedge-type anchorages at their ends. In spite of the fatigue tests requiring a high amount of work input, only statements concerning failure time are possible. Basic internal mechanical processes within the anchorage details are not determinable. Therefore, fractographic studies and subsequent finite element analysis were performed. Due to the described systems entailing local complex fracture mechanism in the wedge-type anchorages and a preliminary FE-study from a 7-strand anchorage obtaining no significant interactions between individual strand regions, the problem formulation for the FE-model could be reduced. The crack initiation could be characterized by the increased stresses in vicinity of the wedge tip. An evaluation of the service life time of the critical system components was carried out with the help of the notch strain concept for the crack initiation and the linear elastic fracture mechanics approach for the crack growth phase. Due to the wide range of load cycles up to crack initiation and several influence parameters, no specific information on crack initiation time could be defined. The crack propagation until breakage was calculated to observe sensible statements regarding the life time of structural details. The results of the computations and fractographic studies have been compared with experimental results and showed good correlation.