Distributed fibre optical sensing in structural concrete – exploring its potential to improve the mechanical modelling of bond

Autorin: Tena Galkovski
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-b-000642506call_made

Kurzfassung

Die Effizienz von Stahlbeton beruht auf dem effektiven Zusammenspiel von Beton und Bewehrungsstahl. Die Kraftübertragung zwischen den beiden Materialien, im Allgemeinen Verbund genannt, ermöglicht es, die hohe Zugfestigkeit des Stahls und die vorteilhaften Eigenschaften des Betons auf Druck auszunutzen. Der Verbund beeinflusst die Tragsicherheit eines Bauteils, indem er dessen Verformungsvermögen und die Verankerung der Bewehrung massgebend bestimmt. Anderseits fliesst er über die Rissabstände, Rissbreiten und Durchbiegungen auch bei der Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit ein. Für die Beurteilung des Tragverhaltens von Stahlbetonbauteilen ist die Berücksichtigung des Verbunds daher unerlässlich. Die intensiven theoretischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen des Verbunds über die letzten Jahrzehnte zeigen seine Bedeutung für die sichere und effiziente Bemessung von Tragwerken auf. Trotz der Vielzahl an Forschungsarbeiten in diesem Bereich ist das Verbundverhalten zwischen Stahl und Beton nicht abschliessend geklärt, was die Komplexität des Verbunds widerspiegelt.

Eine Schwierigkeit bei der Untersuchung des Verbunds war bisher, dass die Grenzfläche zwischen Bewehrungsstahl und Beton für die Instrumentierung schwer zugänglich war. Bis vor kurzem bedurfte es einen extrem hohen Aufwand (Kleben von Dehnungsmessstreifen zwischen zwei Bewehrungsstabhälften, Anbringen kostenintensiver diskreter faseroptischer Sensoren), um den Verbund über eine repräsentative Länge hinweg zu untersuchen, ohne diesen durch die Instrumentierung zu verfälschen. Da es lange Zeit nicht möglich war, Bewehrungsstäbe direkt zu instrumentieren, wurde der Verbund anhand globaler Grössen charakterisiert. Beispielsweise wurde in Ausziehversuchen die aufgebrachte Last am aktiven Stabende und der Schlupf, d.h. die Verschiebung des Bewehrungsstabs relativ zur Betonoberfläche, am passiven Stabende gemessen. Es ist jedoch fraglich, ob die aus solchen Versuchen resultierenden Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen das Verbundverhalten unter realitätsnahen Gegebenheiten (uniaxialer Zug, ein- und zweiachsige Biegung, Schub) zu repräsentieren vermögen. Trotzdem beruhen die meisten anerkannten Verbundmodelle und praktisch alle Bemessungsregeln auf Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen, welche basierend auf den Resultaten von Ausziehversuchen entwickelt und kalibriert worden sind. Mögliche Einflüsse wie beispielsweise die Lagerungsbedingungen werden dabei mit semi-empirischen Korrekturfaktoren berücksichtigt.

Die vorliegende Doktorarbeit geht die oben genannte Problematik mit Hilfe des Einsatzes von verteilten faseroptischen Dehnungsmessungen in der experimentellen Forschung im Stahlbetonbau an. Dank technischer Fortschritte im Bereich der optischen Frequenzbereichsreflektometrie können kommerzielle, in der Telekommunikation verwendete Glasfasern als Sensoren genutzt werden, was die Kosten pro Messpunkt stark senkt. Dadurch können die Dehnungen von einbetonierten Bewehrungsstäben nahezu kontinuierlich über deren Länge gemessen werden, ohne den Verbund zu stören. Die Normalspannungen im Bewehrungsstab können aus den Dehnmessdaten ermittelt und die Verbundspannungen aus den lokalen Stahlspannungsgradienten hergeleitet werden. Diese Messmethodik ermöglicht bisher ungekannte Einblicke in die Versuchskörper und birgt damit das Potential, das Verbundverhalten von Stahlbetonbauteilen unter allgemeiner Belastung sowie für eine allgemeine Bauteilgeometrie besser zu verstehen, und experimentell fundierte Modelle abzuleiten.

Der erste Teil der Arbeit präsentiert eine Übersicht verschiedener Anwendungen von verteilten faseroptischen Dehnungsmessungen an Stahlbetonstrukturen, welche eine Grundlage für deren zuverlässigen Einsatz schaffen soll. Die Eignung der Faseroptik, sowie Vor- und Nachteile einzelner Systemkomponenten und Bearbeitungsschritte werden untersucht, und ein Leitfaden für die optimale Instrumentierung und Datennachbearbeitung wird erstellt. Das Messverfahren wird gegen etablierte Messmethoden validiert, und es werden Strategien für den Umgang mit der hohen Informationsdichte aufgrund der hohen Auflösung erarbeitet. Dieser Teil wird von Pilotversuchen begleitet und hat zum Ziel, die Messtechnik und deren Anwendung im Stahlbetonbau zu validieren.

Der zweite Teil der Arbeit stützt sich auf die aus den verfeinerten Messungen gewonnen Erkenntnisse, um deren Nutzen zu erkunden und sie mit bisherigen Modellvorstellungen zu vergleichen. Übliche Modellannahmen etablierter Verbundmodelle werden für die Fälle von uniaxialem Zug und einachsiger Biegung überprüft, um allfällige Schwachstellen zu identifizieren. Dazu werden die Versuchsdaten von Zuggurten und Plattenstreifen eingehend analysiert. Inspiriert durch die gewonnenen Erkenntnisse über die Verbundspannungsverteilung zwischen den Rissen und deren beobachteten Abhängigkeiten von Stabdurchmesser, Betondeckung, Belastung und Materialeigenschaften, wurde ein auf Spannungsfeldern basierendes Modell zur Lastübertragung vom Bewehrungsstab auf den Beton entwickelt. Der Verbund wird dabei nicht als eine (empirische) Charakteristik der Grenzfläche zwischen Stahl und Beton behandelt, sondern resultiert direkt aus dem Tragvermögen des umgebenden Betons. Unter Berücksichtigung der Stahl- und Betonsteifigkeit sowie der Formulierung einer zusätzlichen, vereinfachten Kompatibilitätsbedingung, welche einen Formschluss zwischen Beton und Stahl an den Rippen erfordert, können die lokalen und mittleren Verbundspannungen schliesslich auch in Abhängigkeit der Stahldehnungen, respektive der aufgebrachten Last ermittelt werden.