Zum Ermüdungswiderstand von Ringquerschnitten aus Stahl- und Spannbeton unter Normalspannungen

Abstract

Durch die Errichtung immer größerer und stark zyklisch beanspruchter Turmbauwerke aus Beton gewinnt das Thema Ermüdungswiderstand von Ringquerschnitten aus Beton unter Normalspannungen zunehmend an Bedeutung und wird dies auch in Zukunft tun. Getrieben durch die Folgen des Klimawandels und den Wunsch nach einer Energiewende wird der Ausbau erneuerbarer Energien, wie z.B. in Form von leistungsfähigen Windenergieanlagen mit großen Nabenhöhen, forciert. Trotz der steigenden Relevanz bestehen große Wissenslücken hinsichtlich des Ermüdungsprozesses im Beton. Eine genaue und wirtschaftliche Bemessung des Ermüdungswiderstandes ist deshalb noch nicht möglich. Gleiches gilt für die Bewertung bestehender Strukturen im Hinblick auf deren Restnutzungsdauer. Nach einer sorgfältigen Literaturrecherche wird in dieser Arbeit zunächst ein Überblick über vorhandene Forschungsarbeiten zum Thema Betonermüdung unter Druckschwellbeanspruchung gegeben und der Stand der Technik wiedergeben. Dies beinhaltet die Identifikation von Einflussfaktoren auf den Ermüdungsprozess und eine Diskussion über die Entwicklung der wesentlichen makroskopischen Materialkennwerte bei zyklischer Belastung sowie eine Auflistung von Empfehlungen zur Bemessung von Tragwerken bei Ermüdung in relevanten Normen und Richtlinien. Dabei zeigt sich unter anderem, dass die aktuellen Regelwerke die Veränderung der Materialkennwerte bei der Ermittlung der Spannungen unter zyklischen Lasten nur unzureichend berücksichtigen. Deshalb wird auf Basis von Versuchen aus der Literatur ein angepasstes Materialmodell für die Ermittlung von Betonspannungen unter Ermüdungsbeanspruchung definiert, in dem die Steifigkeitsreduktion während des Ermüdungsprozesses durch die Einführung eines Abminderungsfaktors für den E-Modul Eingang findet. Anschließend wird das Tragverhalten von Betonringquerschnitten für den Fall zyklischer Belastung anhand der Momenten-Normalkraft-Dehnungsbeziehung sowie des resultierenden Ermüdungswiderstandes nach Model Code 2010 und dessen Abhängigkeit von der Geometrie und den Bemessungsparametern untersucht. Hierfür werden typische Querschnitte zyklisch beanspruchter Turmbauwerke betrachtet und verschiedene Konfigurationen der Fertigteil- und Halbefertigteil- bzw. Ortbetonbauweise verglichen. In diesem Zusammenhang kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die hohen erforderlichen Betongüten bei einer Fertigteilbauweise ohne eine über die Höhe durchgehende Bewehrung (unbewehrte Segmentfugen) mit einer schlaffen Bewehrung in den Fugen zu kompensieren, sodass auch mit einer Halbfertigteil- bzw. Ortbetonbauweise bei üblichen Bewehrungsgraden ohne den Einsatz höherfester Betone hohe Ermüdungswiderstände erreicht werden können. Darüber hinaus zeigen durchgängig bewehrte Turmkonstruktionen, dass eine höhere Biegetragfähigkeit bei vergleichsweise geringerer Vorspannkraft realisierbar ist. Dieser Studie werden die Regelungen aus Model Code 2010 zu Grunde gelegt, da in diesem Regelwerk die aktuellsten und umfassendsten Vorgaben für die Bemessung gegen Ermüdung enthalten sind.

The large amount of high towers that have been erected in recent years did rise the importance of the fatigue resistance of cyclic loaded ring cross-sections. These towers used as support structures for wind turbines are required to provide hub heights of 120 m and above in order to compensate the consequences of the climate change through the energy transition. Despite its obvious importance for such highly dynamically loaded structures, there are great knowledge gaps regarding the fatigue process of concrete. A precise and economical design of the fatigue resistance is not yet possible. The same applies to the assessment of existing structures in terms of their remaining life time. After a careful review of the literature, this thesis presents an overview of existing research on the subject of concrete fatigue and thus the state of the art. This includes the identification of influencing factors on the fatigue behavior and the discussion of the development of the essential material parameters under cyclic loading as well as the collection of regulations for the fatigue design in relevant standards and guidelines. It can be determined that the current regulations do not adequately take into account the change in material parameters for the stress analysis under cyclic loads. Based on experiments from the literature, an adapted material model for the determination of concrete stresses under fatigue loading is proposed in which the stiffness reduction during the fatigue process is taken into account by a reduction factor for the modulus of elasticity. In the context of a parameter study, this is used to investigate the influence of the design parameters on the fatigue resistance of concrete cross-sections under normal stresses. Afterwards the resistance of concrete cross-sections under cyclic loading and the influence of the design parameters on the resulting fatigue resistance according to Model Code 2010 is investigated using the moment-normal-force-strain relation. For this purpose, typical normal stress resistances of cross-sections of cyclically stressed tower structures of various configurations like precast and semi-precast or cast-in-place concrete construction methods are compared. It can be shown that the necessary high concrete strength of fully precast towers with unreinforced horizontal joints can be compensated by continuous reinforcement over the height as used in a cast-in-place respectively semi-precast tower design. In addition, conventionally reinforced towers show a higher bending resistance that can be achieved with a comparatively lower pre-tensioning force. This investigation is based on the recommendations of Model Code 2010, because these regulations contain the most up-to-date and comprehensive requirements for the fatigue design.