Ermüdungsverhalten des Betonstahls unter Berücksichtigung möglicher Korrosionseinflüsse

Abstract

Bauwerke in Stahlbetonbauweise werden vorzugsweise statisch beansprucht. Dynamische Beanspruchungen, die zur Ermüdung des Materials führen, spielen meist nur eine untergeordnete Rolle. Im Stahlbetonbau existieren jedoch auch Anwendungen bei denen die Materialermüdung beachten werden muss. So sind Kranbahnen, Überbauten von Brücken oder auch Offshore-Bauwerke, die durch „nicht vorwiegend ruhende“ Lasten aus Wind, Verkehr oder auch Wellenbewegungen beansprucht werden, besonders gefährdet. Versagensfälle von solchen Bauwerken infolge Ermüdungseinwirkung sind allerdings bisher kaum bekannt geworden,da hohe Spannungsamplituden mit der zur Ermüdung erforderlichen Häufigkeit kaum auftreten. Die wenigen bekannten Einzelfälle traten stets in Kombination mit Korrosion auf.

In den Regelwerken wird beim „Nachweis gegen Ermüdung“ auf Wöhler-Linien zurückgegriffen, bei denen konstruktive Einflüsse z. B. Verbundwirkung zwischen Beton und Stahl)und die Außenatmosphäre nahezu unberücksichtigt bleiben. Auch die jeweilige Belastungsfrequenz wird nicht in dem Maße berücksichtigt, wie es im Zusammenhang mit Korrosion notwendig wäre. So kann bei der Bemessung von „nicht vorwiegend ruhend“ beanspruchten Bauwerken beispielsweise der Einfluss von Durchmesser und Biegung des Betonstahls berücksichtigt werden. Im Bauwerk hängt die Schwingfestigkeit des eingebetteten Betonstahls jedoch von mehreren weiteren Einflussfaktoren ab, die zum Teil gleichzeitig auf den Werkstoff einwirken. Insbesondere der Einfluss der Korrosion auf das Ermüdungsverhalten von Betonstahl sollte berücksichtigt werden.

Es stellt sich daher die Frage, inwieweit die aktuellen Bemessungsnormen angepasst werden müssen, um eine realistische Grundlage für die Bemessung „nicht vorwiegend ruhend“ beanspruchter Bauwerke darzustellen. Besonders geringe Spannungsschwingbreiten in Verbindung mit korrosiven Umgebungsbedingungen, wie sie in der Praxis vorkommen, sind dabei von Interesse. Das grundlegende Ziel der Arbeit besteht somit darin, die bisherigen Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten durch zusätzliche Untersuchungen in baupraktischer Umgebung zu ergänzen. Entscheidend ist dabei, inwieweit die Ermüdung des Betonstahls durch die Art und Intensität einer korrosiven Beanspruchung beeinflusst wird. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb für verschiedene korrosive Lösungen Wöhler-Linen erstellt, auf deren Grundlage ein Bemessungsvorschlag für ermüdungsempfindliche Bauwerke formuliert werden kann. Grundsätzlich hat die Korrosion aber nicht nur einen Einfluss auf die Bruchschwingspielzahl des Betonstahls. Auch die verschiedenen Phasen des Schadensverlaufs (d. h. die Zeit bis zur Depassivierung sowie die Phasen der Risseinleitung und Rissausbreitung)werden durch die Korrosivität der Umgebung beeinflusst. Begleitend zu den Dauerschwingversuchen wird deshalb mit Hilfe einer speziellen Prüftechnik zur Risserkennung untersucht, inwieweit sich die Phasen von Risseinleitung und Rissausbreitung expositionsabhängig voneinander unterscheiden. Aus den Ergebnissen lassen sich dann geeignete Maßnahmen für die Vermeidung einer Schwingungsrisskorrosion des Betonstahls ableiten.

Structures in reinforced concrete are mainly statically loaded. Dynamic stresses, which lead to fatigue of the material, play usually only a minor role. Especially in reinforced concrete structures, there are also applications where the fatigue has to be observed. Crane Runways, superstructures of bridges or off-shore structures, which are claimed by non-static loads from wind, traffic or wave action, are particularly vulnerable. Failure cases of such structures due to fatigue effects, however, are not well known. The high stress amplitude, which lead to fatigue of the constructions occur only seldom at the required frequency. The few known cases were always in combination with corrosion.

In the structural design of fatigue sensitive structures Woehler curves are used, in which structural factors (such as friction in the crack area) and influences of the outside atmosphere remain nearly unconsidered. Even the stress frequency is not considered relevant to the extent as it would be necessary in connection with corrosion. In the design of structures, which are stressed by a “not predominantly static loading” effects, for example, the influence of diameter and bend of the reinforcing steel can be considered. In the completed construction the fatigue strength of the embedded reinforcing steel depends on several other factors, which could influence the material at the same time. Especially the influence of corrosion on the fatigue behavior of reinforcing steel should be considered for a realistic fatigue check.

The question therefore is how the current design standards shall be adjusted to reflect a realistic basis for the design of non-static loaded structures. Especially low stress ranges in combination with different environmental conditions, as they occur in practice, are of interest. Therefore, the basic objective of the work is to update the previous knowledge of fatigue behavior by additional investigations in practical environmental conditions. The decisive factor here is how the fatigue of the reinforcing steel is affected by the type and intensity of a corrosive attack. In the present work, therefore, for various corrosive solutions S/N-curves (curves with stress and number of cycles; Woehler lines) are determined, on the basis of which a practical design proposal can be formulated for fatigue-sensitive structures. Basically, the corrosion can not only have an impact on the number of cycles until the break of the reinforcing steel. Also, the nature of damage (i. e. the time to depassivation and the phases of crack initiation and crack propagation) is affected by corrosivity of the environment. In addition to the fatigue tests, the reinforcing steel is therefore examined by using a special testing methode for detecting cracks. It should be clarified how phases of crack initiation and propagation, exposure-related differ. The project results will provide a basis for measures to prevent the fatigue corrosion of the reinforcing steel.