Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Betonstahl und Spannstahl im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich mit sehr hohen Lastwechselzahlen

Abstract

Die Arbeit befasst sich mit zyklischen Einwirkungen auf Bauteile und Tragwerke, wodurch es zu einem Versagen infolge Materialermüdung auch deutlich unterhalb der statischen Materialfestigkeit kommen kann. Die damit im Zusammenhang stehenden Fragestellungen sind derzeit von großer Aktualität, da z.B. bestehende ältere Stahlbeton- und Spannbetonbrücken für extrem große Lastwechselzahlen beurteilt bzw. ausgelegt werden müssen. Brücken können beispielsweise während einer Nutzungsdauer von 100 Jahren durch den Verkehr bis zu 10^8 Lastwechsel infolge einer solchen zyklischen Belastung erfahren Oftmals können allerdings die Erkenntnisse aus Materialversuchen nicht auf die Gesamtsysteme unserer Bauwerke übertragen werden, da hier zahlreiche Einflussfaktoren aufeinander treffen. Aussagekräftige Ermüdungsversuche sind zudem sehr zeit- und kostenintensiv, wodurch oftmals detaillierte Erkenntnisse aus Großversuchen im Bereich kleiner Schwingbreiten fehlen. Zuerst erfolgt eine umfangreiche Literaturrecherche gut dokumentierter älterer Ermüdungsversuche mit Beton- und Spannstahl. Diese recherchierten Versuchsergebnisse zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeit der historischer Stähle mit den charakteristischen Ermüdungsfestigkeitskurven nach aktuell gültiger Norm für den Betonbau DIN EN 1992-1-1/NA bzw. DIN EN 1992-2/NA zutreffend abgebildet werden. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden sehr umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Materialermüdung von Betonstahl und Spannstahl, sowohl freischwingend als auch im einbetonierten Zustand, unter sehr hohen Lastwechselzahlen. Dabei wird erstmals der Bereich bis zu 10^8 Lastwechseln für den einbetonierten Spannstahl im Stahlhüllrohr experimentell durch Großversuche erforscht. Bei diesen Versuchen wird sowohl einen alter Spannstahl, der aus einem Abbruchbauwerk einer Brücke aus den 1950er Jahren gewonnen wurde, als auch einen gleichartiger Spannstahl aus einer heutigen Produktion untersucht. Die Ergebnisse dieser Großversuche zeigen im Gegensatz zu den freischwingend getesteten Versuchen, dass selbst unter der geringsten einwirkenden Schwingbreite von Δσ=60MPa noch kein eindeutiges Abknicken zu einer Dauerschwingfestigkeit erkennbar ist. Drahtbrüche treten hier auch unter kleinen Schwingbreiten unterhalb von Δσ=100MPa noch vor Erreichen der charakteristischen Ermüdungsfestigkeitskurve nach DIN EN 1992-1-1/NA bzw. DIN EN 1992-2/NA auf. Daher erfolgt der Vorschlag, den zweiten Steigungsast der charakteristischen Ermüdungsfestigkeitskurve steiler zu wählen. Weiter wird auf Basis der gewonnenen Versuchsdaten mit mathematisch statistischen Methoden ein Prognoseverfahren zur Abschätzung der Lebensdauer der vorgespannten Versuchsbalken für beliebige Spannungsschwingbreiten entwickelt.