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Graduiertenkolleg 2075 - Modelle für die Beschreibung der Zustandsänderung bei Alterung von Baustoffen und Tragwerken

Bauwerke werden zweckgebunden für eine vorgesehene Nutzungsdauer entworfen und für planmäßige Einwirkungen nachgewiesen. Das Nachweiskonzept setzt in der Regel den Idealzustand des Bauwerks bei der Erstellung als für die gesamte Nutzungsdauer gegeben voraus. Tatsächlich ändern sich der Zustand der Baustoffe und damit die Eigenschaften des Bauwerks im Laufe der Nutzungsdauer, sodass dessen Zuverlässigkeit und Qualität mit der Zeit abnehmen und die Trag- und Gebrauchssicherheit beeinträchtigt sein kann. Der Prozess der „Zustandsänderung“ von Baustoffen und Tragwerken kann je nach Art des Baustoffes und der Einwirkung chemische oder physikalische Ursachen haben und findet auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen statt.

Ziel des Forschungsverbundes ist die Entwicklung von Ansätzen zur Beschreibung und Bewertung der Zustands- und Qualitätsänderung von Bauwerken des Konstruktiven Ingenieurbaus unter chemischen und physikalischen Einwirkungen. Die zur Zustandsänderung beitragenden in der Regel mehrfach gekoppelten Prozesse sollen mit homogenisierenden Modellen im Rahmen der Kontinuumsmechanik und der Theorie poröser Medien mit dem Ziel beschrieben werden, die Phänomenologie der Alterung numerisch untersuchen und für Einzelfälle prognostizieren zu können. Die Prognosemodelle sollen die Phänomene nicht getrennt als „Insellösungen“ abbilden, sondern das Zusammenwirken der Prozesse erfassen, um eine integrale Aussage über die Qualität eines Bauwerks zu ermöglichen. In Weiterentwicklung der zurzeit vorhandenen makroskopischen Modelle sollen die Mechanismen auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen der Materialstruktur untersucht, beschrieben und experimentell validiert werden. Auf Grundlage der numerischen und experimentellen Ergebnisse sollen vereinfachende Ingenieurmodelle bis zur Anwendung auf Tragwerksebene entwickelt werden.

Die Weiterbildung der Doktoranden erfolgt in einem strukturierten Doktorandenprogramm, in dem die erbrachten Leistungen mit Leistungspunkten honoriert werden. Das Ausbildungskonzept umfasst fachliche Komponenten im Bereich der experimentellen Baustoffwissenschaften, der mathematisch-mechanischen Modellbildung und der Tragwerksanalyse sowie den Erwerb überfachlicher Qualifikationen im Bereich des wissenschaftlichen Arbeitens und des Wissenschaftsmanagements. Aufgrund der baustoffübergreifenden Fragestellung eröffnet sich den Doktoranden die Möglichkeit, völlig unterschiedliche Phänomenologien zu verstehen, zu bewerten und mit entsprechenden Prognosemodellen zu beschreiben.

Weitere Informationen zum Graduiertenkolleg: https://www.tu-braunschweig.de/grk-2075

Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Dieter Dinkler – Institut für Statik

Beteiligte Institute: Institute der TU Braunschweig der Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften sowie der Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät, des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung und der LU Hannover

Förderdauer / Laufzeit: 4,5 Jahre

gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Alterungseinflüsse auf das Zusammenwirken einbetonierter Bewehrung und extern aufgeklebter Kohlefaserlamellen bei verstärkten Betonbauteilen

Alterung, Materialermüdung und die gestiegene Verkehrsbelastung an vielen Betonbrücken an Bundesfernstraßen in Deutschland erfordern Instandsetzungs- oder auch Verstärkungsmaßnahmen. Eine wirtschaftliche Methode zur Ertüchtigung von Stahlbetonbauteilen ist das Verstärken mit aufgeklebter Bewehrung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Die extern aufgeklebte Armierung erhöht die Belastbarkeit der gealterten Betonbauteile und bewirkt somit eine Verlängerung der Lebensdauer. Die Tragwirkung dieser Instandsetzungsmaßnahme wird hauptsächlich durch den Klebverbund zwischen dem aufgeklebten Kohlefaserkunststoff und Beton beeinflusst. Der Klebeverbund wird jedoch durch Umwelteinflüsse, Alterungserscheinungen und Ermüdungsschädigung über den Nutzungszeitraum erheblich beeinträchtigt. Um die Standsicherheit dieser verstärkten Bauteile zu gewährleisten, muss die Tragfähigkeit des Klebeverbundes sichergestellt sein. Die Untersuchung und Modellierung des Verbundtragverhaltens sind bei mit aufgeklebten CFK-Lamellen verstärkten Betonbauteilen von entscheidender Bedeutung.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der inneren Kräfte in Beton, Stahl und aufgeklebter Bewehrung eines verstärkten Betonbauteils bei Dauerlast Beanspruchungen. Dazu müssen Ansätze entwickelt werden, mit denen die Kraftaufteilung zwischen eingelegter und aufgeklebter Bewehrung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Verbundverhältnisse ermittelt werden können.

Experimentelle Untersuchungen an gemischt bewehrten Stahlbetonbalken werden dabei als Grundlage für die Modellierung des zeitabhängigen Verbundtragverhaltens unterschiedlicher Bewehrungsstränge sowie das Degradationsverhalten des Betons dienen. Ferner werden hochmoderne faseroptische Messsysteme für die Erfassung der Dehnungszustände des verstärkten Bauteils über den Untersuchungszeitraum eingesetzt.

Mit der Beschreibung des zeitabhängigen Materialverhaltens und den Degradationsmodellen des Verbundtragverhaltens, wird es möglich sein, ein Prognosemodell zu erstellen, das in der Lage ist, eine Aussage über die Resttragfähigkeit des verstärkten Bauwerks zu treffen.

Ansprechpartner: Zhuo Chen, M. Sc.

Einfluss mechanischer Materialeigenschaften auf die Dauerhaftigkeit instandgesetzter Stahlbetonbauteile

Bei einer klassischen Betoninstandsetzung wird der geschädigte Beton abgetragen, bis der "gesunde" Kernbeton erreicht ist. Anschließend erfolgt eine Reprofilierung des zuvor abgetragenen Betons mit Hilfe eines zementären Instandsetzungsmörtels oder -betons. Nach einer solchen Instandsetzung wird ein Bauteil in der Regel als neuwertig betrachtet.

Neueste Forschungsergebnisse ermöglichen es nun, den gültigen Ansatz zur probabilistischen Lebensdauerbemessung nach Gehlen auch für die Berechnung der Restlebensdauer eines Stahlbeton­bauteils im Hinblick auf carbonatisierungsinduzierte und chloridinduzierte Korrosion zu übertragen. Die Grundlage der Berechnungsansätze bildet das 2. Fick’sche Gesetz, womit sich die Diffusions­mechanismen von CO2 und Chlorid-Ionen beschreiben lassen. Die Alterung eines Bauteils und seiner Materialwiderstände gegen chemischen Angriff wird im Falle der Carbonatisierung mit Hilfe des Wurzel-Zeit-Ansatzes und im Falle des Chlorideindringens über die Anpassung des Chloriddiffusionskoeffizienten mit Hilfe eines experimentell ermittelten Altersexponenten berücksichtigt.

Der Beitrag der Mechanik bei der Beschreibung von Alterungsprozessen in einer Instandsetzungsschicht wurde in den gängigen Modellen zur Lebensdauerbemessung bislang nicht integriert. Dass hier Forschungsbedarf besteht, wird bei der Betrachtung der Steuerbarkeit von Spannungsverteilungen zwischen Instandsetzungsmaterial und Altbeton über die Variation des E-Moduls in der Instand­setzungsschicht deutlich. Ein weiches System entzieht sich einer Belastung während ein steiferes den Altbeton ggf. entlastet und selbst den Lastabtrag übernimmt. Infolge von Verformungen (hervorgerufen aus Belastung, Schwindprozessen oder Temperaturdehnung) kommt es lange vor einer mit dem Auge sichtbaren Rissbildung zu einer Mikrorissbildung in der Zementsteinmatrix. Damit einher geht eine Veränderung der dauerhaftigkeitsrelevanten Materialwiderstände.

Ziel der Arbeit ist es deshalb, im Sinne einer mög­lichst hohen Lebensdauer, ideale Kombinationen mechanischer Kenngrößen zwischen Altbeton und Instandsetzungsmaterial zu bestimmen. Betrachtet werden soll dabei die Spannungsverteilung im Bauteilquerschnitt und die daraus resultierende Mikrorissbildung. Diese Betrachtungen sollen im Weiteren mit Untersuchungen zum Einfluss der Mikrorissbildung auf den Chloriddiffusionskoeffizienten und den Carbonatisierungswiderstand in Zusammenhang gebracht werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Stefan Ullmann

Mesoskalen-Modellierung der Riss-induzierten Durchlässigkeit von Beton

Die Rissbildung durch das Zugversagen von Beton ist ein wesentliches Merkmal des Stahlbetonbaus. Im Fall von Trennrissen können sich bereits sehr kleine Rissbreiten aufgrund des erhöhten Stofftransports durch die Risse negativ auf die Dauerhaftigkeit von Bauteilen auswirken. Insbesondere die realitätsnahe Vorhersage des Wassertransports ist von zentralem Interesse. Zum Einfluss der Rissbreite auf die Durchflussmenge wurden in diversen Forschungsarbeiten bereits wichtige Erkenntnisse gewonnen. Neben der Rissbreite haben auch die Rauheit der Rissflanken sowie der Rissverlauf einen großen Einfluss auf die Durchflussmenge.

Zum besseren Verständnis dieser Zusammenhänge ist die Durchführung verschiedener Experimente geplant. Dazu gehören die Untersuchung der Rauheit verschiedener Betone mittels Digitalmikroskopie sowie die Bestimmung des Rissverlaufes in Abhängigkeit verschiedener Faktoren wie beispielsweise des Bewehrungsgrades und der Gesteinskörnung mittels mikro-Computertomografie. Desweiteren sollen Durchflussversuche an bewehrten Probekörpern mit definierten Rissbreiten an der Probenoberfläche durchgeführt werden.

Ziel des Teilprojektes ist es, ein Ingenieurmodell zur Vorhersage des Flüssigkeitstransportes durch Trennrisse zu entwickeln. Als Grundlage dafür wird das um den Durchflussbeiwert ξ (0 < ξ < 1) erweiterte „cubic-law“-Modell nach Hagen-Poiseuille genutzt. Demnach ergibt sich der Durchfluss durch einen Trennriss zu q = (ξ∙g∙I∙b∙w³)/(12∙ν) [m³/s].

Darin ist g die Gewichtskraft, I der Druckgradient, b die Risslänge orthogonal zur Fließrichtung, ν die kinematische Viskosität des Wassers und w die Rissbreite an der Bauteiloberfläche. Das „cubic-law“-Modell soll weiter optimiert und gegebenenfalls auf zusätzliche Lastfälle erweitert werden. Von besonderem Interesse sind darin ξ und w. Beide Parameter sollen mithilfe der aus den Ergebnissen der Untersuchungen gewonnenen erweiterten Wissens- und Datengrundlage zum Einfluss der Betoneigenschaften und der Bewehrung besser beschreibbar werden.

Die erweiterte Datengrundlage aus den experimentellen Untersuchungen soll die stochastische Beschreibung der Rauheit und des Rissverlaufes ermöglichen. Die Ergebnisse sollen schließlich in ein Ingenieurmodell für den Flüssigkeitstransport übertragen werden.

Ansprechpartnerin: Lena Mengel, M. Sc.

Rissbildung entlang der Klebeverbindung zwischen Beton und CFK-Lamellen

Die Sanierung gealterter Gebäude und Infrastrukturbauwerke ist im Bauwesen immer wichtiger geworden. Oft haben die Ingenieure mit alten Gebäuden zu tun, die eine nachträgliche Verstärkung benötigen. Ein Material, welches die Anforderungen für Verstärkungen erfüllt, leicht zu verarbeiten ist und gute mechanische Eigenschaften aufweist, ist Kohlefaserverstärker Kunststoff (CFK). Ein wichtiger Punkt der Verstärkung ist die Überprüfung der Klebeverbindung zwischen Beton und Lamellen, weil das Verbundversagen, die sogenannte Entkoppelung, spröde ist und ohne Vorankündigung eintritt. Im Zuge vorheriger Untersuchungen wurde eine mögliche Korrelation zwischen der Rissbildung und einem Koeffizienten des Verbundes, der von der Bruchenergie abhängig ist, herausgestellt. Die Rissbildung wurde bisher mithilfe von Rauhigkeitsparametern dargestellt, aber die die Rissbildung beeinflussenden Faktoren sind noch Gegenstand der Forschung.

Ziel des Projektes ist es, die Eigenschaften des Betons zu untersuchen, die maßgebend für die Rissbildung sein können. Die zu untersuchenden Parameter sind die mechanischen Eigenschaften der Gesteinskörnung und des Zementsteins sowie Form und Kornverteilung (Sieblinie) der Gesteinskörner. Das Forschungsprogramm wird in zwei Teile gegliedert. Zunächst wird das Augenmerk auf die kleine Ebene (Mesoskala) gelegt um die Mechanismen besser zu verstehen. In diesem Forschungsabschnitt wird der Schwerpunkt auf die Untersuchung der Proben mithilfe des Mikro CTs und die sich anschließende Auswertung (Segmentierung und Rekonstruktion) der Bilder gelegt. Gewonnene Erkenntnisse werden in der zweiten Phase des Projektes in weiteren Versuchen validiert. Hier sind vor allem Experimente auf der Makroebene geplant, bei denen Proben zyklisch belastet werden. Anhand der Ergebnisse des Versuchsprogramms soll ein in der Praxis anwendbares Ingenieurmodell entwickelt werden.

Ansprechpartner: Matteo Lunardelli, M. Sc.

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