Ein neues Dresdner Modell beschreibt das ausgezeichnete Materialverhalten unter Ermüdungsbeanspruchung

Petr Jun, der sein Studium in der Fachrichtung Bauwesen an der Tschechischen Technischen Universität in Prag absolvierte, erläuterte die Inhalte seiner Dissertation mit dem Thema „Behaviour of Strain-hardening Cement-based Composites (SHCC) under monotonic and cyclic tensile loading“.

Die Sprödigkeit von herkömmlichem Beton führt häufig zu ausgeprägten Schäden oder sogar zum Versagen von Stahlbetonkonstruktionen. Dieser Schwäche kann mit einem neu entwickelten hochduktilen Beton beigekommen werden. Petr Jun, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Baustoffe der TU Dresden, entwickelte im Rahmen seiner Dissertation ein Modell, das ein detailliertes Verständnis des Werkstoffverhaltens ermöglicht.

Das mechanische Verhalten von SHCC (hochduktiler Beton) unter Zugbelastung kann positiver bewertet werden als das von herkömmlichem Beton. Während Normalbeton nahezu sofort versagt, wenn er auf Biegung beansprucht wird, ist SHCC durch die Bildung vieler kleiner Risse im Material extrem biegsam. Dieses spezifische Verhalten resultiert aus dem Zusammenspiel vieler kurzer und dünner Polymerfasern, welche die vorhandenen Risse überbrücken und somit ein Versagen des Bauteils verhindern. Je nach Zusammensetzung des Betons und der Art und dem Material der Fasern kann dieses Verhalten den gewünschten Bedürfnissen angepasst werden.

Von der Idee zur Anwendung

In der Praxis sind die meisten Betonkonstruktionen mehr oder weniger heftigen zyklischen Belastungen ausgesetzt, welche zu Rissbildungen, zunehmender Beschädigung des Bauwerks bis hin zum Einsturz desselben führen können. Beispiele für derartige Belastungen sind unter anderem Verkehr, Temperaturwechsel, Windböen und, wie zuletzt in Haiti und Neuseeland, Erdbeben. Im Gegensatz zu herkömmlichem Beton kann hochduktiler Beton diese Belastungen aufgrund seiner Biegsamkeit, von Ingenieuren Duktilität genannt, problemlos ertragen. Dies eröffnet dem Material ein breites Einsatzspektrum, beispielsweise in erdbebensicheren oder hoch belasteten Bauteilen oder als strapazierfähiger Überzug.

Doch bevor SHCC sicher und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, galt es das Werkstoffverhalten genau zu ergründen, um eine höchstmögliche Ausnutzung der Materialeigenschaften zu erzielen. Petr Jun hat für die Anwendung in der Praxis ein Modell entwickelt, dass das Verhalten des SHCC unter Dauerbeanspruchung erklärt. Es basiert auf den Ergebnissen der umfangreichen experimentellen Untersuchungen des Werkstoffverhaltens, welche in Dresden unter der Betreuung von Professor Viktor Mechtcherine, Leiter des Instituts für Baustoffe an der TU Dresden, durchgeführt wurden. Die Untersuchungen erstreckten sich auf alle relevanten physikalischen Phänomene vom Materialverhalten einzelner Fasern bis hin zum großmaßstäblichen Bauteil.

Experimentelle Untersuchungen

Die Analysen haben gezeigt, dass der Einfluss der Ermüdungsbelastung auf das Werkstoffverhalten nur gering ausfiel. Ähnlich wie beim Verhalten unter monotoner Belastung, bildeten sich viele kleine Risse. Dennoch konnte auch eine gewisse Verschlechterung unter zyklischer Belastung beobachtete werden. Der Materialwiderstand gegen Biegung verringerte sich mit zunehmender Anzahl der Lastwechsel.

Aufbauend auf den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen leitete Petr Jun gesetzmäßige Beziehungen für das Verhalten von hochduktilem Beton unter Ermüdungsbeanspruchung ab. Diese berücksichtigen die entscheidenden physikalischen Phänomene wie unter anderem die Bildung von Rissen und die Wirkung der Polymerfasern im Hinblick auf die Rissüberbrückung und Biegsamkeit. Das neue Modell beschreibt somit das tatsächliche Materialverhalten, was die Entwicklung maßgeschneiderter hochduktiler Betone für einzelne Anwendungen erlaubt.

Doch der Dresdner Forscher gibt sich hiermit nicht zufrieden. Er wünscht sich die möglichst breite Anwendung von hochduktilem Beton in der Praxis. Hierfür sind Normen mit Materialgesetzen erforderlich. Diesen ist er mit dem hier vorgestellten Modell ein gutes Stück näher gekommen.