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Multiscale microstructural modeling in cement and concrete. From hydration to poroelasticity, creep, and strength

  Link zum kostenlosen Volltext   

[Quelle: http://repositum.tuwien.ac.at]

Die makroskopischen mechanischen Materialeigenschaften von Beton werden durch seine hierarchisch organisierte, heterogene Mikrostruktur bestimmt. Auf einem Beobachtungsmaßstab von einigen Milli- bis Zentimetern kann man visuell zwischen Sand- und Gesteinszuschlagskörnern und der sie umgebenden Zementsteinmatrix unterscheiden. Betrachtet man die Matrix auf einem kleineren Beobachtungsmaßstab, offenbart sich ein überraschend komplexes Materialsystem, bestehend aus unhydrierten Zementpartikeln, Poren, Hohlräumen und Hydraten, die aus der chemischen Reaktion von Zement mit Wasser entstehen. Besonders die Modellierung des jungen Betons ist herausfordernd, da, aufgrund des ständigen Ausfallens weiterer Hydrate, die Mikrostruktur einer kontinuierlichen Transformation unterzogen ist. Das Erfassen dieser komplexen, sich entwickelnden Mikrostruktur mithilfe eines mathematischen Modellierungskonzepts stellt das erste Ziel dieser Arbeit dar. Die Volumina der Materialbestandteile sollen als Funktion der volumetrischen Zusammensetzung und des Aushärtegrades ermittelt werden, wobei auf erst kürzlich entdeckte Phänomene, wie die zunehmende Verdichtung der Calciumsilicathydrate (C-S-H) oder die durch Wasser in der zugänglichen Oberflächenporosität der Zuschlagskörner ermöglichte -innere Nachbehandlung-, eingegangen werden soll. Die Bestimmung der Hierarchie der Materialbestandteile, deren Morphologie, deren mechanischer Eigenschaften und deren Interaktion sind weitere Themen, die in dieser Arbeit behandelt werden. Die Mehrskalen-Mikrostrukturmodelle werden mit publizierten Messoder Modellergebnissen aus unterschiedlichen Disziplinen der Betonwissenschaften gespeist. Die Festigkeitskennwerte und das Verdichtungsverhalten von C-S-H, beispielsweise, stammen von Nanoindentationtests bzw. von Messungen der Kernspinresonanzrelaxation. Dadurch verbleibt die Anzahl der Modellparameter auf einem absoluten Minimum und alle eingeführten Materialkonstanten sind direkt physikalisch interpretierbar. Methoden der Kontinuumsmikromechanik ermöglichen den Skalenübergang zwischen Mikrostruktur und makroskopischen mechanischen Materialverhalten. Durch einen Bottom-up Ansatz werden die homogenisierten mechanischen Eigenschaften auf der Makroskala basierend auf physikalischen Gesetzen auf der Mikrostruktur bestimmt; ein Top-down Ansatz quantifiziert Materialkonstanten auf der Mikrostruktur, die bis heute experimentell nicht zugänglich sind. Dabei wird auf die drei zentralen mechanischen Eigenschaften der zementgebundenen Materialien eingegangen: poroelastisches Verhalten und Kriechverhalten sowie auf die einaxiale Druckfestigkeit.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Ist-Zustandserfassung von Parkbauten in Betonbauweise
DBV-Heft, Band 39
Fassung Januar 2017.
2017, 76 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover

 

 

Der Schutz und die Instandsetzung von Betonbauteilen haben im Bereich von Parkhäusern und Tiefgaragen aufgrund der dort herrschenden Beanspruchungen eine besondere Bedeutung. Dies gilt vorrangig für die Instandhaltung von solchen Parkdecks, die direkt befahren sind, da diese erheblichen Beanspruchungen aus Chloriden in Kombination mit wechselnd nassen und trockenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Wichtigste Voraussetzung für die sachkundige Planung von Instandsetzungsmaßnahmen ist die Ist-Zustandserfassung der betroffenen Betonbauteile. Dazu gehört nicht nur die Aufnahme von augenfälligen Schadensbildern, sondern auch die eingehende Untersuchung von schadensträchtigen Betonbauteilen. Diese wird üblicherweise mittels einer Kombination aus zerstörungsfreien und zerstörungsarmen Prüfverfahren durchgeführt. Welche Verfahren und Verfahrenskombinationen sind für eine Ist-Zustandserfassung von Betonbauteilen geeignet und haben sich in der Praxis bewährt? Was ist bei ihrer Durchführung zu beachten und wie sind die Prüfergebnisse zu beurteilen? Das Heft geht diesen Fragen nach und gibt entsprechende Antworten beziehungsweise liefert Ansätze für Problemlösungen. Die Beiträge wurden von Autoren erarbeitet, die bei den vom DBV jährlich bundesweit veranstalteten Arbeitstagungen zur Betoninstandsetzung referierten.

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Martin Krause
Kosteneinsparung durch Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren für Betonbauteile beim Bauen im Bestand
Bauforschung für die Praxis, Band 101
2012, 95 S., zahlr. farb. Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Forschungsvorhaben beschäftigte sich mit der Anwendung von zerstörungsfreien Prüfverfahren für Betonbauteile beim Bauen im Bestand und bei der Qualitätssicherung sowie mit der Ermittlung des Einsparpotenzials an konkreten Objekten. Zum Zeitpunkt der Antragsstellung lagen noch keine systematischen Untersuchungen der praktischen Anwendung dieser Verfahren unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten im Hochbau vor. Während der Laufzeit des Vorhabens sollten konkret anfallende Untersuchungsaufgaben so bearbeitet werden, dass sowohl die Leistungsfähigkeit der Verfahren verifiziert als auch eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgen konnte. Dabei sollten besonders Aufgaben aus der Praxis der beteiligten Ingenieurbüros aufgegriffen werden. Für die schnelle automatisierte Messung am Bauwerk wurde die Konzeption eines Baustellenscanners weitergeführt und für die im Rahmen des Vorhabens vorgesehenen Einsätze optimiert. Er ermöglicht schnelle automatisierte Messungen vor Ort und verbindet dabei eine kurze Aufbauzeit mit der notwendigen Flexibilität.

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Joachim Göhlmann
Zur Schädigungsberechnung an Betonkonstruktionen für Windenergieanlagen unter mehrstufiger und mehraxialer Ermüdungsbeanspruchung
Berichte des Instituts für Massivbau der Universität Hannover, Band 6
2010, 376 S., zahlr. farb. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Tragwerke für Windenergieanlagen unterliegen während ihrer Lebensdauer großen zyklischen Beanspruchungen mit hohen Lastwechselzahlen. Neben den maximalen Einwirkungen sind daher die Ermüdungsbeanspruchungen für die Dimensionierung der Tragkonstruktion von entscheidender Bedeutung. Der Ermüdungsnachweis für Beton basiert auf einer linearen Schädigungshypothese nach Palmgren und Miner. Die Anwendung dieser vereinfachten linearen Akkumulationshypothese kann aber zu unsicheren oder unwirtschaftlichen Bemessungsergebnissen führen, da der tatsächlich stark nichtlinear verlaufende Ermüdungsprozess im Beton nicht ausreichend genau berücksichtigt wird. Ebenfalls können durch diesen linearen Schädigungsansatz nicht die Auswirkungen unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen sowie Einflüsse aus mehraxialen Beanspruchungszuständen auf die resultierende Ermüdungslebensdauer berücksichtigt werden. Daher wird in der vorliegenden Arbeit, aufbauend auf einem mechanisch begründeten Ermüdungsmodell aus der Literatur, eine Vorgehensweise zur Beschreibung der Steifigkeits- und Schädigungsentwicklung in Beton unter mehrstufiger und mehraxialer Ermüdungsbeanspruchung entwickelt. Zur Validierung des mehrstufigen Schädigungsansatzes werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die erforderlichen Materialkennwerte für mehraxiale Beanspruchungszustände werden aus Literaturangaben abgeleitet und anhand von mechanischen Modellüberlegungen entwickelt. Das modifizierte Schädigungsmodell wird an das FE-Programm ABAQUS adaptiert. Damit wird ein Spannbetonschaft einer Windenergieanlage der Multi-Megawattklasse numerisch untersucht.

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Malte Kosmahl
Entwicklung der Beanspruchungen im jungen Beton infolge der Hydratation
Berichte des Instituts für Massivbau der Universität Hannover, Band 4
Modellierung und numerische Analyse am Beispiel einer massigen Stahlbetonwand
2007, 312 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In massigen Stahlbetonbauteilen, deren freie Verformung behindert wird, können bereits während der Hydratation Risse im jungen Beton auftreten. Die risserzeugenden Zwang- und Eigenspannungen entstehen durch behinderte thermische Volumendehnung während der Erwärmung und nachfolgenden Abkühlung als Folge der Temperaturentwicklung durch die exothermische Zementhydratation. Während der Hydratation sind die Werkstoffeigenschaften des Betons zeitlich veränderlich und entwickeln sich unterschiedlich schnell. Durch die starke Relaxationsfähigkeit werden die entstehenden Spannungen teilweise wieder verringert. Aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Materialverhaltens im jungen Betonalter und den vielfältigen Einflussfaktoren auf die Spannungsentwicklung handelt es sich um ein sehr komplexes und umfangreiches Themengebiet. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf zwei Schwerpunktbereiche. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Berechnungsalgorithmen zur wirklichkeitsnahen Ermittlung der Temperatur- und Spannungsfelder infolge der Wärmefreisetzung während der Hydratation und deren Implementierung in das Programmsystem ANSYS. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse und Interpretation von Temperatur- und Dehnungsmesswerten einer abschnittsweise hergestellten massiven Schleusenwand und der zugehörigen Ergebnisse von numerischen Vergleichsrechnungen.

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Michael Hansen
Zur Auswirkung von Überwachungsmaßnahmen auf die Zuverlässigkeit von Betonbauteilen
Berichte des Instituts für Massivbau der Universität Hannover, Band 2
2004, 230 S., zahlr. Abb., Tab., Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Wird durch eine verbesserte Überwachung der Bauausführung auch die Tragwerkzuverlässigkeit erhöht? Diese Fragestellung ist Motivation der vorliegenden Arbeit. Eine quantitative Beurteilung erfolgt auf wahrscheinlichkeitstheoretischer Grundlage. Die Streuungen der in den probabilistischen Analysen eingehenden Variablen werden zunächst durch statistische Auswertung einer umfangreichen Datenbasis analysiert. Diese Daten entstammen der Güteüberwachung und zahlreicher in der Literatur beschriebenen Bauteilversuche. Insbesondere für die bei Betonbauteilen maßgebenden Widerstandsmodelle des Normalkraft-, Biege-, Querkraft- und Durchstanzversagens werden die Streuungen der Widerstandsmodelle ausgewertet und diskutiert. In einer probabilistischen Berechnung gehen die zuvor bestimmten Variablen auf der Beanspruchungs- und Bauteilwiderstandsseite ein. Ein Vergleich unterschiedlicher Überwachungsintensitäten wird durch den Ansatz differenzierter Streumasse für die Eingangsgrößen in dieser probabilistischen Berechnung ermöglicht. Mit dem berechneten Zuverlässigkeitsindex wird die Versagenswahrscheinlichkeit ermittelt. Zudem kennzeichnen die ebenfalls bestimmten Wichtungsfaktoren die wesentlichen Einflussgrößen. Aus dem Zuverlässigkeitsindex und den Wichtungsfaktoren bzw. den Streumaßen der statistischen Variablen wird der Teilsicherheitsbeiwert ermittelt. Die Auswirkungen der Überwachungsmaßnahmen werden durch einen Vergleich dieser Teilsicherheitsbeiwerte veranschaulicht.

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Forschungsberichte

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Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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Ludger Lohaus, Patrick Rzeczkowski
Untersuchungen von Kurzzeit-Performance-Eigenschaften zur Abschätzung des Langzeitverhaltens von Porenbeton
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3392
2021, 52 S., 23 Abb. u. 10 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen vorangegangener Forschungsvorhaben wurde von allen seinerzeit in Deutschland produzierenden Porenbetonherstellern ein Hersteller identifiziert, dessen Porenbetonsteine extreme Druckfestigkeitsverluste nach 18-monatiger Lagerung unter "normaler" Außenluft aufwiesen. Ziel war es daher, die Ergebnisse aus den vorangegangen Forschungsvorhaben auf aktuelle Produkte aus Deutschland und aus dem Ausland zu überprüfen.

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Oliver Fischer, Roland Niedermeier, Sebastian Schmidt
Erarbeitung von materialspezifischen Widerstandskennwerten für die Verbundfugenbemessung von Stahlfaserspritzbetonergänzungen im Hinblick auf das nationale Anwendungsdokument zu DIN EN 14487 und DIN EN 14488. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3364
2019, 104 S., 45 Abb. u. 32 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen der Forschungsarbeit wird die Tragfähigkeit der Verbundfuge von unbewehrten Stahlfaserspritzbetonergänzungen experimentell sowie numerisch untersucht. Die Bewertung der Schubfestigkeit der unbewehrten Verbundfuge erfolgt durch kleinformatige Probekörper ohne Fugennormalspannung und mit Fugennormalspannung. Dabei wird der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, des Betonuntergrundes und des Fasergehaltes bei verschiedenen Rautiefen unter Verwendung von verschiedenen, praxisüblichen Spritzbetonmischungen untersucht. Des Weiteren werden die zwangsspannungsinduzierenden Schwindverformungen für unterschiedliche Spritzbetonmischungen ermittelt. Die statistische Auswertung der durchgeführten Kleinkörperversuche ohne Fugennormalspannung zeigt, dass bei der verwendeten Fasergeometrie mit den Bemessungsansätzen der Adhäsionstragfähigkeit nach (DIN EN 1992-1-1:2011-01) in Verbindung mit (DIN EN 1992-1-1/NA:2013-04) für Bauteile, die nachträglich mit Spritzbeton bzw. unbewehrten Stahlfaserspritzbeton ergänzt werden, unter sorgfältiger Nachbehandlung ein ausreichendes Sicherheitsniveau für Fugen der Rauheitskategorie rau, verzahnt und spritzrau erreicht wird.

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Klaus Block, Rainer Becker
Untersuchungsbericht zum Tragverhalten von Kopfbolzen in Leichtbeton
Bauforschung, Band T 3361
2018, 132 S., 27 Abb. u. 9 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Pro Jahr werden etwa 1,5 Mio. m3 Leichtzuschlag überwiegend im Baubereich verarbeitet. Verankerungen in Normalbeton sind bereits mit der Einführung von ETAG 001 systematisch untersucht und bemessen worden. Für Verankerung in Leichtbeton hingegen gibt es derzeit weder eine Bemessungsvorschrift noch Zulassungen. Eine direkte Übertragung der Erkenntnisse aus Normalbeton auf Verankerungen in Leichtbeton ist aber aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung und des Last-Verformungsverhaltens nicht möglich. Die grundsätzlichen Tragmechanismen sind an Kopfbolzen in gefügedichtem Leichtbeton erforscht worden, da Kopfbolzen ein klares Verhalten in Bezug auf die Lastübertragung zeigen. Durch die geringe Lastübertragungsfläche entstehen allerdings hohe Spannungen, die den Leichtbeton örtlich schädigen können und daher zu vergrößerten Verformungen führen.

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Xiaochen Lin, Anya Vollpracht
Bewertung der Umweltverträglichkeit von Zementsuspensionen
Bauforschung, Band T 3357
2018, 135 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Sinne des Grundsatzpapiers "Grundsätze zur Bewertung der Auswirkung von Bauprodukten auf Boden und Grundwasser" ist die Verträglichkeit eines Baustoffs für Boden und Grundwasser bei der bauaufsichtlichen Zulassung nachzuweisen. Für Zementsuspensionen wurde der inverse Säulenversuch nach Schössner als Prüfverfahren ausgewählt, allerdings werden mit diesem Versuch überproportional große Mengen an Inhaltsstoffen ausgewaschen. Dies wurde bereits in Vorprojekten festgestellt und als Alternative ein Frischbetonstandtest vorgeschlagen. Bisher konnte in den zuständigen Gremien jedoch keine Einigung zur Prüfung von Zementsuspensionen erzielt werden. Daher wurden in diesem Projekt nochmals vergleichende Untersuchungen durchgeführt und die Datenbasis vergrößert, um die Bandbreite der kommerziellen Produkte in Deutschland abzudecken.

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Gregor Schacht, Steffen Marx
Neufassung der Richtlinie "Belastungsversuche an Betonbauwerken". Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3035
2017, 75 S., 48 Abb. u. 7 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Belastungsversuche stellen eine sichere und wirtschaftliche Methode zur Bewertung bestehender Tragwerke dar, wenn der Nachweis einer ausreichenden Sicherheit allein rechnerisch nicht erbracht werden kann. Die Durchführung von Belastungsversuchen ist seit 2000 durch die Richtlinie "Belastungsversuche an Betonbauwerken" des DAfStb geregelt. Diese Richtlinie basiert jedoch auf Forschungsarbeiten aus den 1980er und 1990er Jahren. Die Überarbeitung der Bewertungskriterien hinsichtlich ihrer praktischen Anwendbarkeit zur Detektion beginnender Schädigungen während des Versuches, die Gewährleistung der Passfähigkeit zur europäischen Normung und die Erarbeitung von Teilsicherheitsbeiwerten für Belastungsversuche sind die Hauptanliegen des Forschungsprojektes.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Breitenbücher, Rolf
New testing procedures for effective evaluation of fresh-concrete rheology suitable for use on site (kostenlos)
BFT International, 2022

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Kalthoff, Matthias; Raupach, Michael; Matschei, Thomas
Materialminimiertes Bauen mit extrudiertem Textilbeton. Hochleistungstextilbeton
Beton, 2022

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Leutbecher, Torsten
Influence of fiber orientation on the mechanical properties of ultra-high performance fiber-reinforced concrete (kostenlos)
BFT International, 2022

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Gerlach, Jeska; Lohaus, Ludger
Acid resistance of concrete - Multi-site comparisons of performance test methods (kostenlos)
BFT International, 2022

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Frohnmüller, Jens; Selm, Werner
Innovative prefabricated timber-concrete composite elements with adhesive bond (kostenlos)
BFT International, 2022

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Highlights aus dem Programm