Ermüdung von biegebeanspruchten Betonbauteilen aus normal- und hochfesten Betonen

Durch den notwendigen Ausbau von erneuerbaren Energien werden auch stetig mehr und neue Windenergieanlagen benötigt. Hierbei erfordern zum einen das Bestreben nach Materialeinsparungen bei diesen seriengefertigten Bauteilen und zum anderen auch die stets zunehmende Strukturhöhe zur Steigerung der umsetzbaren Leistung ein möglichst genaues Verständnis des Materialverhaltens unter dieser besonderen Beanspruchungssituation. Durch Wind- und Wellenbelastungen werden die Turmkonstruktionen von Windenergieanlagen biegebeansprucht. Durch die resultierenden linear veränderlichen Dehnungsgradienten im Turmquerschnitt kommt es zu einer ermüdungsbedingten Degradation des Betons am äußeren Turmrand und Spannungen lagern sich nach und nach in den inneren Bauteilquerschnitt um. Der überwiegende Teil der in der Literatur dokumentierten Versuchsergebnisse wurde anhand von kleinformatigen Betonproben oder kleinmaßstäblichen Bauteilen gewonnen. Hierbei können die im realen Bauteil auftretenden Spannungsumlagerungen nur ungenügend abgeleitet und mögliche Maßstabseffekte nicht berücksichtigt werden. Des Weiteren liegen Versuchsergebnisse für einzelne Bauteilversuche nur für Lastwechselzahlen =2·106 vor. Jedoch treten in Windenergieanlagen im Vergleich zu üblichen Ermüdungsversuchen deutlich niedrigere Belastungsniveaus und somit höhere Lastwechselzahlen auf. Daher wurden Ermüdungsuntersuchungen an großmaßstäblichen Betonbauteilen im Very-high-Cycle-Fatigue-Bereich mit dem am Institut für Massivbau der Leibniz Universität Hannover entwickelten Resonanzprüfstand durchgeführt. In den Versuchen konnte der Effekt der Spannungsumlagerungen in ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen bewiesen und die positive Wirkung auf die Lebensdauer der Bauteile bestätigt werden. Für die Konstruktion der immer filigraneren Bauwerke war die Entwicklung von höherfesten Betonen eine wichtige Voraussetzung. Ein wesentlicher Unterschied von hochfesten Betonen gegenüber normalfesten Betonen ist deren spröderes Materialverhalten bzw. die deutlich geringere Duktilität. Dies kann unter Umständen bei fortschreitender Schwellbeanspruchung zu einem schlagartigen Versagen der Tragstruktur führen. Die Duktilität von hochfesten Betonen kann allerdings durch die Zugabe von Stahlfasern deutlich verbessert werden. Ziel der Untersuchungen am Lehrstuhl für Baustofftechnik der Ruhr-Universität Bochum war es daher, den Einfluss von Stahlfasern auf das Ermüdungsverhalten von hochfesten Betonen zu untersuchen. Dabei sollte ermittelt werden, inwieweit die wesentlichen Betoneigenschaften und das Ermüdungsverhalten im Bereich sehr hoher Lastwechselzahlen (N > 107) durch die Zugabe von Stahlfasern beeinflusst werden. Durch die Ermüdungsversuche konnte u. a. festgestellt werden, dass die zyklischen Belastungen einen nennenswerten Einfluss auf die Degradation des Betons aufwiesen. Bereits nach wenigen Tausenden Lastwechseln sind Steifigkeitsabnahmen von rund 10 % bis 15 % zu rechnen. Die faserbewehrten Proben erreichten deutlich größere Bruchlastwechselzahlen im Vergleich zu den faserfreien Proben. Dies wird u. a. mit der rissüberbrückenden Wirkung der Fasern begründet, die demnach einen positiven Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit unter Biegeschwellbeanspruchung haben.