Load-deformation behaviour of reinforced concrete structures affected by local corrosion
Autor: Severin Häfliger
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-b-000602335call_made
Kurzfassung
Eine zunehmende Anzahl älterer Bauwerke ist von Lochfrasskorrosion betroffen, sei es durch Chloridverseuchung oder infolge einer schadhaften Bewehrungsüberdeckung. Diese lokale Schädigung reduziert den Tragwiderstands und insbesondere das Verformungsvermögens infolge einer Verformungslokalisierung. Letzteres ist primär relevant bei statisch unbestimmten Tragwerken, deren Tragwiderstand plastische Lastumlagerungen voraussetzt, wie auch bei Tragwerken, deren Einwirkung von ihrer Verfomung abhängt. Tatsächlich beruhen viele Bemessungs- und Überprüfungsmethoden auf dem unteren Grenzwertsatz der Plastizitätstheorie, was ein ausreichendes Verformungsvermögen voraussetzt (wie es bei intakten Tragwerken in der Regel auch vorhanden ist). Diese Methoden können daher nicht unbesehen auf lokal korrodierte Tragwerke angewendet werden, vielmehr ist ein ausreichendes Verformungsvermögen explizit nachzuweisen. Trotz intensiver Forschung existieren jedoch heute keine mechanisch konstenten, allgemein anwendbaren Methoden für die Tragsicherheitsüberprüfung der von Lochfrasskorrosion betroffenen Bauwerke. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, diese Wissenslücke zu schliessen. Sie untersucht dazu den Einfluss lokaler Korrosion auf das Last-Verformungsverhalten betroffener Tragwerke, mit Schwerpunkt auf dem praktischen Anwendungsfall lokal korrodierender Winkelstützmauern.
Die Resultate einer umfassenden Serie von Zugversuchen an künstlich geschädigten Bewehrungsstäben zeigten den Einfluss (i) der Dehungsgeschwindigkeit, (ii) der unterschiedlichen Mikrostruktur über den Stabquerschnitt und (iii) der Schädigungsgeometrie auf. Die über die Stablänge variierende Dehnungsgeschwindigkeit (i) führt zu einer leichten Erhöhung der Zugfestigkeit im geschädigten Bereich, wohingegen moderne Bewehrungsstäbe mit unterschiedlicher Mikrostruktur über den Querschnitt (ii) mit zunehmendem Querschnittsverlust überproportional an Zugfestigkeit einbüssen. Je nach Schädigungsgeometrie (iii) erhöht ein dreiachsiger Spannungszustand die einachsige Zugfestigkeit und das Verformungsvermögen im Bereich der Schädigungsstelle. Diese Effekte wirken einer Verformungslokalisierung entgegen, weshalb Modelle, welche alleinig auf der Verformungslokalisierung aufbauen, das Verformungsvermögen lokal korrodierender Stäbe typischerweise stark unterschätzen.
Grossmassstäbliche Versuche an Winkelstützmauersegmenten bestätigten den deutlichen Einfluss der Verteilung des Korrosionsschadens über die verschiedenen Bewehrungsstäbe, wie er aufgrund einer theoretischen Vorstudie vermutet wurde. So unterscheidet sich das Last-Verformungsverhalten von Versuchskörpern mit vielen leicht korrodierten Stäben stark von denjenigen mit wenigen, stark korrodierten Stäben, selbst bei identischem Gesamtquerschnittsverlust. Die alleinige Angabe eines mittleren Querschnittsverlusts reicht somit nicht aus, um die Tragsicherheit eines Bauwerks zu beurteilen. Zwei Hybridversuche, bei denen der Querschnittsverlust während des Versuchs gesteigert und gleichzeitig die Einwirkung analog dem Erddruck reduziert wurde, zeigten, dass eine Verformungszunahme infolge zunehmenden Querschnittsverlusts selbst bei beachtlichen Verlusten sehr gering ist (ca. 1 mrad bei 40% Querschnittsverlust). Die Verformungen würden voraussichtlich erst kurz vor Erreichen des Bruchzustands markant zunehmen, was eine grosse Herausforderung für eine erfolgreiche Bauwerksüberwachung auf Grundlage von Verfomungsmessungen darstellt.
Schliesslich wurde mit dem korrodierten Zuggurtmodell ein mechanisch konsistentes Modell entwickelt, mit dem das Last-Verformungsverhalten von lokal korrodierenden Tragwerken zuverlässig beurteilt werden kann. In seiner ursprünglichen Version kombiniert das Modell den Einfluss der Zugversteifung mit jenem der Verformungslokalisierung. Es wurde aufgrund des in den Versuchen beobachteten Verhaltens weiterentwickelt, um den Einfluss dreidimensionaler Spannungen an der Korrosionsstelle zu berücksichtigen. Die Resultate der Versuchsnachrechnungen sind sehr vielversprechend und weisen auf die Existenz eines zusätzlichen Effekts hin, der die Dehnsteifigkeit des Stabs im Bereich der Korrosionsstelle weiter verringert. Dieser Effekt ist wahrscheinlich auf Biegespannungen bei einseitig angreifender Korrosion zurückzuführen. Insgesamt war die Abnahme des Verformungsvermögens damit deutlich geringer als von bisherigen, rein auf Verformungslokalisierung basierenden Modellen vorausgesagt.