Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau | Institut für Tragkonstruktionen

Technische Universität Wien

Ermüdungsversuche mit sehr hoher Frequenz an Litzenspanngliedern

Allgemeines

Bild 1: Dauerschwinganlage

Für große Bauteile, wie zum Beispiel Schrägkabel oder Spannglieder, wird ein ausreichender Widerstand gegen ein Ermüdungsversagen über Versuche experimentell bestimmt. Richtlinien und Normen regeln den jeweiligen Versuchsablauf. Am Institut für Tragkonstruktionen wurde eine neue Technologie zur Prüfung der Ermüdungsbeanspruchung an großen zug- und biegebeanspruchten Bauteilen entwickelt.

Die neue Technologie nutzt den Resonanzeffekt aus und ermöglicht für zug-, druck- und biegebeanspruchte Bauteile je nach Versuchsaufbau wesentlich schnellere Versuchsdurchführungen bei gleichzeitig erheblich geringerem Energieeinsatz als konventionelle servo-hydraulisch gesteuerte Prüfvorrichtungen, begründet durch den Wegfall des Betriebes eines Hydraulikaggregates. Dauerte ein Ermüdungsversuch für 2 Millionen Lastwechsel bisher 23 Tage, so ist mit den erreichbaren Prüffrequenzen zwischen 20 und 40 Hertz eine Reduktion der Versuchszeit auf weniger als 24 Stunden möglich.

Mit dem derzeitigen Versuchsaufbau sind Ermüdungsversuche an zugbeanspruchten Bauteilen mit einer maximalen Oberlast von 12.000 kN, und anschließende statische Zugversuche bis zu 20.000 kN möglich. Das Institut für Tragkonstruktionen ist damit in der Lage, Dauerschwing- und anschließende Bruchversuche an Schrägkabeln mit bis zu 73 Litzen durchzuführen. Aus praktischen Gründen ist die Länge der Prüfkörper auf drei bis acht Meter beschränkt.
 

Prüfmethode

Der Versuchsaufbau ist ein schwingfähiges System mit einem Freiheitsgrad, wobei sich die Steifigkeit aus der Summe der Dehnsteifigkeiten des Prüf- und Behelfskabels zusammensetzt. Die schwingende Masse m entspricht der veränderbaren Masse einer Kopplungseinheit, welche die beschriebenen Körper verbindet. Voraussetzung für die Gültigkeit der Analogie zum einfachen Einmassenschwinger ist wesentlich größere Steifigkeit des Prüfrahmens und der Kopplungseinheit gegenüber der Gesamtsteifigkeit von Prüf- und Behelfskabel.

 

Die schwingende Beanspruchung, eine gerichtete sinusförmige Kraft in axialer Richtung des Prüfkörpers und des Behelfskabels, wird durch einen elektrisch betriebenen Unwuchterreger auf das Prüfobjekt aufgebracht. Die Drehzahl n wird über einen Frequenzumrichter geregelt und ermöglicht so eine Variation der Periodendauer T. Ist die Drehzahl (Frequenz) des Unwuchterregers gleich der ersten Eigenfrequenz des Versuchsaufbaus, tritt  Resonanz ein und die vom Unwuchterreger aufgebrachte Kraft wird durch den dynamischen Vergrößerungsfaktor vervielfacht.

 

Hohes Gewicht und Steifigkeit bei möglichst geringem Dämpfungsmaß wurde bei der Prüfeinrichtung im eigenen Institutslabor an der TU-Wien mit einem vorgespannten Stahlbetonrahmen mit schwingungsisolierender Lagerung mittels Federpaketen verwirklicht. Dieser Rahmen stellt ein multifunktionales Aufspannfeld mit Abmessungen BxHxL von 2,80x2,00x16,00 m dar.

 

Informationen zur Herstellung der Prüfvorrichtung sind undefinedhier zu finden.

 

Durchgeführte Versuchsprogramme

Nach Vorversuchen zur Kalibrierung der Anlage sowie einem anschließenden, umfangreichen Testprogramm mit einer beträchtlichen Anzahl an 1-, 2-, 4-, 7-, 9- und 12-litzigen Probekörpern mit unterschiedlichen Testparametern wie Oberlast, Spannungsamplitude und Lastzyklen, wurden im August 2011 zwei Probekörper mit 43 Spannstahllitzen einer detaillierten Untersuchung unterzogen.

 

Bild 2 Servo- hydraulischer Prüfzylinder mit einer 43- litzigen Schrägseilverankerung

Die Ermüdungsbeanspruchung wurde zum einen laut aktuell gültigen Richtlinien mit einer Spannungsamplitude von 200N/mm² bei einer Oberlast von 45% GUTS über den vorgegebenen  Zeitintervall von zwei Millionen Lastwechseln aufgebracht. Zum anderen wurde die Studie an einem weiteren Probekörper auf acht Millionen Zyklen erweitert, um zusätzliche Einflüsse wie Prüffrequenzabhängigkeit, Temperaturentwicklung sowie Korrosionserscheinungen zu erforschen. Die Prüffrequenz betrug in beiden Fällen abweichend von Regelwerken 26 Hz, was einem Sechstel der Prüfzeit der im Vergleich ausgeführten servo-hydraulischen Tests entspricht. 

Im Anschluss an die Ermüdungsversuche wurden die für Schrägkabelprüfungen vorgeschriebenen statischen Zugversuche durchgeführt, wobei sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden. Bild 3 zeigt ein Detail der Verankerung des Prüfkabels, welches sich bei diesem System aus 43 Litzen mit PE- Ummantelung zusammensetzte. Eine Aufzählung der bereits durchgeführten Versuche befindet sich in Tabelle 1.

Tab. 1 Projektliste

Alternative Anwendungen

Neben der Verwendung für zugbeanspruchte Bauteile kann der o.g. Prüfrahmen auch als Aufspannfeld für die Anwendung von Dauerschwingversuchen an Biegeträgern genutzt werden. Der Biegebalken wird dabei mit Hilfe eines Querhauptes, eines Behelfskabels und einer hydraulischen Presse auf die Mittellast vorgespannt. Die schwingende Belastung erfolgt anschließend wiederum mit einem mechanischen Unwuchterreger.
 

Ausblick

Das Institut für Tragkonstruktionen an der TU Wien verfügt mit der beschriebenen Prüfeinrichtung über ein leistungsstarkes Instrument für die Durchführung von statischen und dynamischen Versuchen an Zuggliedern und biegebeanspruchten Konstruktionen. Versuche an Litzenspanngliedern und an Stahlbetonbiegeträgern haben die Wirkungsweise und Anwendbarkeit in der Praxis bestätigt. Im Vergleich zu konventionellen servo-hydraulischen Anlagen konnte für Zugglieder die Prüffrequenz bei Ermüdungsversuchen um den Faktor 20 gesteigert werden und die gleichzeitig die erforderliche Energiemenge um den Faktor 1000 reduziert werden.

Die positive Nutzung des Resonanzeffektes ist somit erstmals auch im oberen Kraftbereich möglich. Zugkräfte bis 20.000 kN und dynamische Lasten bis zu einer Oberlast von 12.000 kN sind möglich. Die Anlage soll weiterhin sowohl für universitäre Forschung auf dem Gebiet der Materialermüdung genutzt werden, als auch für weitere Zulassungsversuche externer Partner dienen.

Begleitend zu der experimentellen Abwicklung der Dauerschwing- und statischen Zugversuche werden die hoch komplexen Vorgänge in den Verankerungen und den freien Längen der Vorspannglieder unter Heranziehung des leistungsfähigen Programmes ABAQUS numerisch mit der Finiten Elemente Methode berechnet. Ziel ist die Vergleichbarkeit der numerischen und experimentellen Daten sowie im Folgenden eine Aufstellung von Parameterstudien zum Zwecke der Gegenüberstellung von unterschiedlichen Schrägkabelsystemen.

 

www.betonbau.tuwien.ac.at