Entwicklung einer Methode zur Prüfung des biaxialen Bruchverhaltens von Beton

Abstract

Beton ist ein mineralischer Werkstoff, bestehend aus einem Gemisch von Gesteinskörnung, Zement, Wasser, Zusatzstoffen und Zusatzmitteln. Aufgrund seiner hohen Druckfestigkeit und der zusätzlich vorhandenen geringen Zugtragfähigkeit sowie der beliebigen Formbarkeit bei der Herstellung wird Beton in vielen Bereichen im Bauwesen eingesetzt. Nachdem sich der Einbau einer Bewehrung zur Abdeckung der zugbeanspruchten Zonen in vielen Bereichen als kostenintensiv darstellt, ist die Forschung zum Tragverhalten von Beton unter Zugbeanspruchung unerlässlich. Nach derzeitigem Stand der Technik werden in den Normen festgelegten mechanischen Festigkeitswerte jedoch meist aus uniaxialen Versuchen gewonnen. Diese spiegeln das Tragverhalten von Beton in der Realität nur begrenzt wieder und deshalb ist es sinnvoll, auf multiaxiale Festigkeitswerte und bruchmechanische Kennzahlen bei der Bemessung und numerischer Modellierung zurückzugreifen. Daher wurde im Zuge der Diplomarbeit das Thema der Entwicklung einer Versuchsvorrichtung zur Analyse der biaxialen Zugfestigkeiten von unbewehrtem Beton behandelt. Die theoretische Grundlage für die beiden durchgeführten Versuchsreihen sowie deren Ergebnisse und Auswertung bilden der derzeitige Wissensstand und die bekannten Konzepte der linearen und nicht-linearen Bruchmechanik. Als primäre Fragestellung wurde die Entwicklung der biaxialen Versuchsvorrichtung behandelt. Anders als bei der bereits eingesetzten biaxialen Keilspaltmethode zur Messung biaxialer Kennwerte, bei der ein biaxialer Spannungszustand aus einer Zug- und einer senkrecht dazu auftretenden Druckbeanspruchung hervorgerufen wird, entsteht bei der entworfenen Versuchsvorrichtung eine biaxiale Spannung aus zwei Zugbeanspruchungen, welche senkrecht aufeinander stehen. Selbst eine Variation der Zugspannungsverhältnisse ist mit der entwickelten Vorrichtung möglich und wurde bei der Bestimmung der biaxialen Betonfestigkeit und spezifischen Bruchenergie bei der durchgeführten Versuchsreihe angewendet. In einer zweiten Versuchsreihe wurden die Betonzugfestigkeiten in Abhängigkeit der Belastungsrichtung an einer bestehenden Vorrichtung bestimmt, wobei die Belastungsrichtung zwischen 0° und 90° variiert wurde. Zur Überprüfung der erlangten Ergebnisse wurde abschließend der biaxiale Zug-Zug-Versuch in Ansys Workbench simuliert.

Concrete is a mineral composite, consisting of gravel, cement, water, additive and aggregate materials. Due to its high pressure strength, the additional low tensile strength and any mouldability in the production, concrete is used in many areas of civil engineering. Because of the high installation costs of reinforcement in areas under tensile stress, research on concrete under tensile stress is essential. However, according to the state of the art, the standardized mechanical strength values are normally derived from uniaxial test series. The uniaxial strength does not represent the actual behaviour of concrete and therefore, it is necessary to apply multiaxial strength values and mechanical fracture values in calculations and in numerical analysis. Consequently, in the master thesis was dealt with the development of a set-up to determine the biaxial tensile strength of unreinforced concrete. The theoretical basis for both conducted series of experiments, as well as their results and evaluation, is formed by the current level of knowledge and the familiar methods of linear and non-linear fracture mechanics. The primary task was the development of the biaxial set-up. Differently to the existing biaxial set-up, in which the biaxial tension is a result of a combination of tensile stress and compression stress, the biaxial tension in the developed set-up is created by two tensile stresses, which are orthogonal to each other. Even a variation of the proportion of tensile stress is possible with this set-up and was applied in the determination of the biaxial strength and specific fracture energy of concrete in this test series. In the second series of experiments, the concrete tensile strength was determined according to of the load direction within the existing set-up. For this purpose the load direction was varied between 0 and 90 degrees. Finally the biaxial tensile-tensile series of experiments was modelled in the simulation software Ansys Workbench to review the results.