Very high cycle fatigue testing of concrete using ultrasonic cycling

Karr, Ulrike; Schuller, R.; Fitzka, M.; Denk, Andreas; Strauß, Alfred; Mayer, H.

doi:10.3139/120.111021

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“…Diese dem Probekörper zugefügte thermische Energie muss folglich bei zyklischen Versuchen zu einer Erwärmung der Betonprobekörper führen. Eine solche Probekörpererwärmung wurde bei zahlreichen Ermüdungsversuchen festgestellt . Die Darstellung der Spannungs‐Dehnungslinie mit den Hystereseflächen für aufeinanderfolgende Lastwechsel in Bild zeigt die dafür verantwortliche Dissipationsenergie eines kraftgeregelten zyklischen Druckschwellversuchs.…”

Section: Dissipationsenergie Bei Zyklischen Versuchenunclassified

Dissipationsenergie bei Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern

Bode

Marx

Vogel

et al. 2019

Beton und Stahlbetonbau

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Fachthema 1 motivation Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass es im Beton, wie auch bei anderen Materialien, durch zyklisch-mechanische Beanspruchungen zu Deformations-und Schädigungsprozessen kommt, welche zum Versagen des Bauteils oder Probekörpers führen können. Dieser Versagenszustand tritt selbst bei Beanspruchungszuständen weit unterhalb der Materialfestigkeitsgrenze ein und wird als Ermüdung bezeichnet [1]. Während die Dehnungsentwicklung sowie die Steifigkeitsdegradation bei Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern hinreichend bekannt sind [2], sind die Schädigungsprozesse in der Meso-und der Mikroebene im Innern der Probekörper noch nicht ausreichend untersucht. Einen Hinweis auf innere Reibvorgänge liefern die von von der Haar et al. [3] sowie Elsmeier [4] dokumentierten Probekörpererwärmungen infolge zyklischer Beanspruchungen. Um diese Probekörpererwärmung energetisch untersuchen zu können, wird in dieser Publikation eine Methodik beschrieben und in einem Algorithmus umgesetzt, mit dem die vom Probekörper dissipierte Energie bestimmt werden kann. Anschließend werden für durchgeführte Ermüdungsversuche an Betonprobekörpern die Entwicklungen der mit jedem Lastzyklus dissipierten Energie über die Versuchslauf-zeit dargestellt und mit der Probekörpererwärmung verglichen. Bild 1 Ideal-elastischer Werkstoff (aus [5]) Ideal elastic material (acc. to [5]) Bild 2 Elasto-plastischer Werkstoff (aus [5]) Elasto-plastic material (acc. to [5]) Bild 3 Spannungs-Dehnungslinie von Beton (aus [5]) Stress-strain curve of concrete (acc. to [5]) Bild 4 Dissipationsenergie bei zyklischen Versuchen (schematische Darstellung) [3] Dissipation energy of cyclic tests (schematic diagram) [3]

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Section: Dissipationsenergie Bei Zyklischen Versuchenunclassified

Dissipationsenergie bei Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern

Bode

Marx

Vogel

et al. 2019

Beton und Stahlbetonbau

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“…Cyclic compression loading was purpose-developed for VHCF testing of concrete. With this technique, the damage mechanism in the very long lifetime regime could be demonstrated for concrete used in wind power plant foundations [ 95 ].…”

Section: Conventional and Ultrasonic Fatigue Testingmentioning

confidence: 99%

Usability of Ultrasonic Frequency Testing for Rapid Generation of High and Very High Cycle Fatigue Data

et al. 2021

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Ultrasonic fatigue testing is an increasingly used method to study the high cycle fatigue (HCF) and very high cycle fatigue (VHCF) properties of materials. Specimens are cycled at an ultrasonic frequency, which leads to a drastic reduction of testing times. This work focused on summarising the current understanding, based on literature data and original work, whether and how fatigue properties measured with ultrasonic and conventional equipment are comparable. Aluminium alloys are not strain-rate sensitive. A weaker influence of air humidity at ultrasonic frequencies may lead to prolonged lifetimes in some alloys, and tests in high humidity or distilled water can better approximate environmental conditions at low frequencies. High-strength steels are insensitive to the cycling frequency. Strain rate sensitivity of ferrite causes prolonged lifetimes in those steels that show crack initiation in the ferritic phase. Austenitic stainless steels are less prone to frequency effects. Fatigue properties of titanium alloys and nickel alloys are insensitive to testing frequency. Limited data for magnesium alloys and graphite suggest no frequency influence. Ultrasonic fatigue tests of a glass fibre-reinforced polymer delivered comparable lifetimes to servo-hydraulic tests, suggesting that high-frequency testing is, in principle, applicable to fibre-reinforced polymer composites. The use of equipment with closed-loop control of vibration amplitude and resonance frequency is strongly advised since this guarantees high accuracy and reproducibility of ultrasonic tests. Pulsed loading and appropriate cooling serve to avoid specimen heating.

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“…Karr et al [20] führten Druckschwellversuche an zylindrischen Betonproben mit einem Durchmesser d = 21 mm durch. Im Gegensatz zu den Untersuchungen von Klausen [19] erfolgte die zyklische Anregung der Probe in Resonanzschwingung durch Ultraschallwellen, überlagert mit einer statischen Druckvorlast.…”

Section: Bisheriger Kenntnisstandunclassified

Ermüdungscharakteristika eines hochfesten Betons bei sehr hohen Lastwechselzahlen

Willers

Gerlach

Herrmann

et al. 2020

Beton und Stahlbetonbau

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Bei zyklisch beanspruchten Betontragwerken besteht die Herausforderung, die Nutzungsdauer zunehmend filigraner Baustrukturen und vorgespannter Systeme mit sehr hohen Lastwechselzahlen N > 107 bemessungstechnisch abzusichern. Dies erfordert technische Spezifikationen, die unter Berücksichtigung eines hinreichend genauen Materialverständnisses das Ermüdungsverhalten unter sehr hohen Lastwechselzahlen realitätsnah abbilden. Die derzeitigen Bemessungsgrundlagen in Form von Wöhlerlinien beschränken sich für Betonbauteile bisher auf versuchstechnisch verifizierte Lastwechselzahlen bis N = 107. Durch die Entwicklung einer gezielt zum Schwingen anregbaren Versuchsvorrichtung war es am IMB/MPA Karlsruhe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) möglich, erste Versuche an einem hochfesten Beton C120 unter Nutzung eines Hochfrequenzpulsators zur Erzeugung von Druckschwellbeanspruchungen durchzuführen. Der Beitrag fasst die Untersuchungsergebnisse zusammen und weist auf weitergehende thematische Fragestellungen bezüglich des Ermüdungsverhaltens von Beton unter sehr hohen Lastwechselzahlen hin.

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Very high cycle fatigue testing of concrete using ultrasonic cycling

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Dissipationsenergie bei Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern

Dissipationsenergie bei Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern

Usability of Ultrasonic Frequency Testing for Rapid Generation of High and Very High Cycle Fatigue Data

Ermüdungscharakteristika eines hochfesten Betons bei sehr hohen Lastwechselzahlen

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