Universität Hannover – Institut für Baustoffe – Appelstraße 9A – 30167 Hannover – Tag der mündlichen Prüfung:04.12.03 – Referent: Prof. Dr.-Ing. Ludger Lohaus – Co-Referent: Prof. Dr.-Ing. Reinhard Harte – Kurzfassung – Stahlbetonbauwerke werden sowohl durch mechanische als auch durch umgebungsbedingte physikalisch-chemische Einwirkungen beansprucht. Diese letztgenannten Einwirkungen können baustoffliche Schädigungen hervorrufen, die bezüglich ihrer Mechanismen relativ gut erforscht sind, ihr Einfluss auf bemessungsrelevante Kenngrößen ist jedoch noch nicht ausreichend untersucht. – Derartige Schädigungen des Betongefüges, wie sie beispielsweise die Frost-Tauwechselbeanspruchung hervorrufen kann, werden in erster Linie als Probleme der Dauerhaftigkeit der Betonoberfläche angesehen. Dass sie jedoch auch Auswirkungen auf das Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen haben können, wurde in der Vergangenheit kaum berücksichtigt. – Im Rahmen der Arbeit wird die Auswirkung einer baustofflich induzierten Schädigung des Betongefüges auf das Tragverhalten von Stahlbetonkonstruktionen nachgewiesen und quantifiziert. Dabei wird exem-plarisch die Frost-Tau-Wechselbelastung als Schädigungsmechanismus betrachtet, da sie eine reproduzierbare innere Schädigung her-vorruft, die mittels der Verlängerung der Ultraschalllaufzeit bzw. über den Abfall des relativen dynamischen E-Moduls quantifizierbar ist. – Ziel der Arbeit ist es, die Basis dafür zu schaffen, neben mechanischen Schädigungen auch physikalisch-chemische Einwirkungen im Rahmen schädigungsorientierter Stoffgesetze für den Tragwerksentwurf im Stahlbe-tonbau erfassen zu können. – Zunächst wird die Veränderung ausgewählter Baustoffkennwerte des Betons infolge der inneren Gefügeschädigung untersucht. Die innere Schädigung infolge einer Frost-Tau-Wechselbelastung schreitet ausgehend von der befrosteten wasserseitigen Oberflä-che ins Betoninnere vor, weshalb die Gefügeschädigung über den Querschnitt ungleichmäßig verteilt ist. Für die Gegenüberstellung der inneren Schädigung und der genannten Betonkennwerte ist es notwendig, die Verteilung der inneren Schädigung über den gesamten Probekörper aufzunehmen. Dabei zeigte sich, dass die Schädigung in Bereiche vordringt, in denen sich bei üblichen Betondeckungen die Bewehrung einer Stahlbetonkonstruktionen befindet. – In weiteren Untersuchungen wurde daher der Einfluss der inneren Schädigung auf das Verbundverhalten zwischen Stahl und Beton untersucht und hinsichtlich eines schädigungsorientierten Verbundgesetzes für Be-rechnungen im Stahlbetonbau aufbereitet. Bei den frostinduzierten Veränderungen des Verbundverhaltens ist es besonders bemerkenswert, dass die inneren Gefügeschädigungen, die von der befrosteten Betonoberfläche ins Betoninnere voranschreiten, nicht bis zur Bewehrung gelangen müssen, um das Verbundverhalten wesentlich zu beeinflus-sen. Bereits bei kleinen Gefügeschädigungen innerhalb der Betondeckung wird die maximale Verbundspannung um einen nennenswerten Teil herabgesetzt. Dies kann mit dem Auftreten von Ringzugkräften im Beton um den Bewehrungsstahl erklärt werden. Wird bei weiterem Voranschreiten der inneren Schädigung auch der Kontaktbereich zwischen Stahl und Beton von der Frostschädigung erfasst, stellt sich das Verbundverhalten zunehmend weicher dar. – Die erfassten schädigungsbedingten Veränderungen des Betons und des Verbundverhaltens werden im Rahmen dieser Arbeit in ein an der University of Waterloo (Kanada) entwickeltes Computerprogramm zur Berechnung des Biegetragverhaltens von Stahlbetonbiegebalken implementiert. – In einem weiteren Schritt wurden die rechnerisch ermittelte Veränderung des Bie-getragverhaltens dem experimentell aufgenommenen Tragverhalten unterschiedlich stark befrosteter und unbefrosteter Stahlbetonbalken gegenübergestellt. Dabei wurde die Unterseite ganzer Stahlbetoneinfeldträger von rd. 1,6 m Länge durch eine mit dem CIF-Verfahren vergleichbare Frost-Tauwechselbeanspruchung beaufschlagt. Durch die gute Übereinstimmung von Expe-rimenten und Rechnungen zur Ermittlung der Momenten-Krümmungslinien wurde die Gültigkeit für die entwickelten Gesetzmäßigkeiten zum Einfluss der frostinduzierten Schädigung nachgewiesen. – Für eine praktische Anwendung der aus dieser Betrachtungsweise abgeleiteten Gesetzmäßigkeiten in lebensdauerorientierten Bemessungskonzepten ist jedoch die Kenntnis über den zeitlichen Schädigungsfortschritt unter Praxisbedingungen erforderlich. – Dieser kann bislang noch nicht zielsicher vorhergesagt werden. In dem Schwerpunktprogramm "Übertragbarkeit von Frostlaborprüfungen auf Praxisverhältnisse" (DAfStb, DBV und AIF) wird derzeit untersucht, welcher realen Beanspruchung die im Labor aufgebrachten Frost-Tau-Wechsel entsprechen. Des Weiteren wird im Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) "Vorhersage des zeitlichen Verlaufs von physikalisch-chemischen Schädigungsprozessen an mineralischen Baustoffen" direkt der Frage nach dem zeitlichen Verlauf der Frostschädigung nachgegangen. – Liegen Ergebnisse aus den genannten Schwerpunktprogrammen vor, können sie in die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit eingearbeitet werden, sodass die frostinduzierte Veränderung des Tragverhaltens von Stahlbetonkonstruktionen zeitabhängig formuliert werden kann. – Eine derartige zeitabhängige Formulierung der frostinduzierten Veränderungen des Tragverhaltens ermöglicht eine Erweiterung der bislang entwickelten lebensdauerorientierten Stoffgesetze, die im Allgemeinen lediglich eine Degradation infolge der Lastgeschichte beschreiben. – Eine andere und vermutlich viel naheliegendere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, dass neben der sehr aufwendigen Quantifizierung des zeitlichen Schädigungsfortschritts die relevanten Schädigungsdaten aus den direkten Messungen mittels Bauwerksmonitoring zu erhalten sind. Auf diese Weise ließen sich die in dieser Arbeit formulierten Modellvorstellungen zur Berücksichtigung der Frostschädigung auf das Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen direkt anwenden. – Kontaktadresse – Dr.-Ing. Lasse Petersen – LPI Ingenieurgesellschaft mbH – Prof. Lohaus - Dr. Petersen – Nienburger Straße 5, 30167 Hannover – Tel.:(0511) 123 84 99 - 0 – E-Mail: petersen@lpi-ing.de – Die Dissertation wurde in der Schriftenreihe des Instituts für Baustoffe der Universität Hannover veröffentlicht: " Berichte aus dem Institut für Baustoffe, Heft 3"