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Aufzeichnung von Materialdehnungen


Aufzeichnung von Dehnungen an ultrahochfesten Betonen unter Schlagbeanspruchung an der TU München (cbm), Lehrstuhl für Baustoffkunde und Materialprüfung, Prof. Dr.-Ing. C. Gehlen BAUER Spezialtiefbau GmbH, Dr.-Ing. K. Beckhaus, Dr.-Ing. H. Ibuk.

Die Festigkeit zementgebundener Baustoffe konnte in den vergangenen Jahren stetig gesteigert werden. Die letzte Stufe in dieser Entwicklungsgeschichte stellt der ultrahochfeste Beton (UHPC) dar, der am cbm seit 1998 intensiv erforscht wird. Dieser Beton ermöglicht durch die höheren aufnehmbaren Lasten größere Spannweiten bzw. schlankere Konstruktionen. Für den Einsatz dieses innovativen Betons bieten sich daher ganz neue Möglichkeiten.

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes wird gemeinsam mit dem Industriepartner BAUER Spezialtiefbau GmbH die Verwendung des Nanowerkstoffs Ultrahochfester Beton (UHPC) im Spezialtiefbau auf kosten- und materialorientierte Optimierung erforscht. Untersucht werden u.a. Rammpfähle aus UHPC, da gerade im Austausch gegen Stahl, sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile erwartet werden.

Rammpfähle werden zur Verbesserung des Baugrundes mithilfe eines Hydraulikbaggers in den Boden gerammt. Um die Beanspruchung während eines Schlages auf den Pfahlkopf im Labormaßstab nachbilden zu können, wurden UHPC-Zylinder unterschiedlicher Zusammensetzung mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Höhe von 200 mm hergestellt.

Die Prüfungen wurden in einem Schlaggerät, das üblicherweise zur Bestimmung des Widerstandes gegen Zertrümmerung von Gesteinskörnung eingesetzt wird, durchgeführt. Der Fallhammer schlägt mit einem Gewicht von 50 kg aus einer gewählten Fallhöhe auf einen Stempel, der die Kraft in den UHPC-Zylinder weiterleitet.

Die während der Schlagversuche erwartete hohe Belastungsgeschwindigkeit sowie das explosionsartige Werkstoffversagen des UHPC machte einen Datenlogger mit entsprechend hoher Messfrequenz und Aufzeichnungsmöglichkeit unverzichtbar. Im Rahmen eines Vorversuchs am cbm mit dem SensorCorder LTT-180 konnte schnell gezeigt werden, dass dessen Messrate von 500 kHz je Kanal für diese Versuche optimal ist.

Die SensorCorder aus dem Hause LTT Labortechnik Tasler bieten 8, 16 oder 32 galvanisch getrennte Eingangskanäle inklusive integrierter Kombiverstärker für Volt-, DMS- und ICP-Signale. Die Beschaltung für die jeweilige Sensorik wird dabei per Software konfiguriert – ein Umbau der Hardware ist hierfür nicht notwendig. Im DMS-Betrieb werden Voll-, Halb- und Viertelbrücken-Schaltungen unterstützt. Eine optionale Speisung mit Konstantstrom ermöglicht dabei hoch genaue und äußerst rauscharme DMS-Messungen für Hochtemperatur-Anwendungen.

Die Anbindung an den PC erfolgt über USB oder Ethernet – bei Bedarf für längere Entfernungen auch über Lichtwellenleiter. Bei angeschlossenem PC lassen sich die Signale so auch aus der Ferne online darstellen und kontrollieren. Mit der Software LTTpro wird die Erfassung, Wiedergabe und Analyse der Messdaten erheblich vereinfacht. Die umfangreiche Triggerfunktion definiert den Start der Datenerfassung. Die Online-Mathematik ermöglicht eine erste Bewertung der Messung noch während der Aufnahme. Das direkte Speichern der Messdaten in vielen gängigen Dateiformaten erlaubt eine direkte Weiterverarbeitung der Messdaten.

In den folgenden Untersuchungen wurden an den Zylindern die Quer- und Längsdehnungen während eines Schlages durch gegenüberliegende, in Zweiviertelbrückenschaltung aufgeklebte Dehnungsmessstreifen (DMS) mit dem SensorCorder LTT180-8 aufgezeichnet. Durch die insgesamt 8 vorhandenen Kanäle konnten weitere DMS verteilt über die Höhe der Zylinder appliziert werden, um Aussagen über Unterschiede in den Beträgen der Dehnungen und den Dehnungsverläufen zu gewinnen. Durch Festlegung eines geeigneten Triggers konnte die Datenmenge nach Aufbringen der Schläge geringgehalten werden. Ein Vergleich der Dehnungen mit Zylindern anderer Betonzusammensetzung ist Voraussetzung für weitere Optimierungsschritte hinsichtlich einer geeigneten Rezeptur für UHPC-Rammpfähle.

Die Untersuchungen zum vorgestellten Forschungsprojekt laufen derzeit noch. Insbesondere sind Dehnungsmessungen an Demonstratoren auf der Baustelle geplant. Es hat sich jedoch bereits gezeigt, dass durch die Anschaffung des SensorCorder LTT180-8 wichtige Erkenntnisse über das Werkstoffverhalten von UHPC unter Schlagbeanspruchung gewonnen werden können.

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