F: Welche Trends im Bauwesen oder in der Konstruktion treiben die Innovation bei Bauwerkstoffen voran?
Rick Bearden: Die Verbesserung der Erdbebensicherheit von Bauwerken – Gebäuden und Brücken – in Erdbebengebieten ist ein ständiger globaler Schwerpunkt; Bauingenieure und Konstrukteure suchen ständig nach Möglichkeiten, die bauliche Sicherheit zu verbessern und Menschenleben zu schützen, daher ist der Drang nach Innovation ungebrochen. Ein bemerkenswerter Trend ist die Erforschung des Einsatzes von ultrahochfesten Bewehrungsstäben (Rebars) in Stahlbeton-Strukturen (Reinforced Concrete bzw. RC). Konkret untersuchen die Forscher, wie man das unelastische Verhalten von Stahlbetonkonstruktionen verbessern kann, um ein katastrophales Versagen bei seismischen Ereignissen zu verhindern; dazu schlagen sie vor, die Stärke von Bewehrungsstäben drastisch zu erhöhen. Ein großartiges Beispiel hierfür kommt aus Japan, wo es derzeit Bewehrungsstäbe gibt, die Streckspannungen von bis zu 1275 MPa (Megapascal) standhalten können, was im Vergleich zum Bereich von 275–520 MPa bei herkömmlichen Bewehrungsstäben einfach astronomisch ist.
F: Erläutern Sie, wie Stahlbetonbauteile (RC-Bauteile) dazu dienen können, die Erdbebensicherheit eines Bauwerks zu erhöhen.
Bearden: Bewehrungsstäbe verleihen einem Stahlbetonbalken oder einer Stahlbetonstütze Duktilität bzw. die Fähigkeit, sich unter Zugspannung zu verformen. Von Natur aus ist Beton gut, wenn er auf Druck belastet wird, aber er ist spröde und kann nicht mit Spannungen umgehen, die durch Biegen oder Knicken entstehen. Die Bewehrung mit Bewehrungsstäben fügt elastische Eigenschaften hinzu, die es einem RC-Bauteil ermöglichen, eine gewisse Biegelast aufzunehmen und in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren, wenn die Last entfernt wird. Die erforderlichen elastischen Eigenschaften von RC-Stäben sind in den aktuellen Hoch- und Tiefbaunormen auf der ganzen Welt gut definiert. Bei einem Erdbebenereignis ist ein Bauwerk jedoch enormen Querkräften ausgesetzt, die es in einen unelastischen Zustand treiben können, in dem es durch Dehnung oder Nachgeben nicht mehr in seinen ursprünglichen Spannungszustand zurückkehren kann. Dies ist der Zeitpunkt, an dem ein strukturelles Versagen auftritt. Ultrahochfeste Bewehrungsstäbe dienen dazu, das Verhalten einer Struktur im unelastischen Bereich zu verbessern, sodass ein vollständiges Versagen auch bei starker Beschädigung vermieden werden kann.
F: Beschreiben Sie die laufende Forschung zur Erhöhung der Festigkeit von Bewehrungsstäben und der Duktilität von RC-Teilen.
Bearden: Die Bemessung von Stahlbeton ist eine etablierte Ingenieursdisziplin, aber die Konzentration auf neue, ultrahochfeste Bewehrungsstäbe führt zu einer erneuten Erforschung der Grundlagen, z. B. der chemischen Formulierung der hochfesten Legierungen, der Herstellungsprozesse für Bewehrungsstäbe und der Art und Weise, wie die Bewehrungsstäbe in RC-Bauteilen eingesetzt werden. Die mechanische Prüfung spielt in allen Facetten dieser Forschung eine entscheidende Rolle: Die Materialien, aus denen der Bewehrungsstab besteht, und die mechanischen Verbindungen, welche die Bewehrungsstäbe miteinander verbinden, müssen eingestuft werden, zusammengesetzte Bewehrungsstäbe/mechanische Verbindungskomponenten müssen auf Festigkeit und Ermüdung getestet werden, und die RC-Bauteile selbst müssen getestet werden, um zu verstehen, wie die Bewehrungsstabstärke, die Betonfestigkeit und die Platzierung des Bewehrungsstabs innerhalb des RC-Bauteils die Erdbebensicherheit verbessern können. Wie zu erwarten, konzentriert sich diese Forschung auf seismisch aktive Gebiete, darunter Japan, Russland, die Ukraine, die Vereinigten Staaten, Korea, Indien und China. Aber auch Universitäten auf der ganzen Welt, nicht nur in erdbebengefährdeten Gebieten, tragen zur Grundlagenforschung in diesem Bereich bei; ein gutes Beispiel ist die Universität von Minnesota in den USA, die Teil des NEES-Konsortiums (Network for Earthquake Engineering Simulation) ist.
F: Wie wirkt sich die Entwicklung von Bewehrungsstäben mit hoher Streckgrenze auf die Anforderungen an die mechanische Prüfung aus?
Bearden: Wenn die Streckgrenzen zunehmen, steigen natürlich auch die Zugkräfte, sodass für die mechanische Prüfung viel höhere Kraftmessrahmen für die Prüfung von Bewehrungsstäben und Spleißmaterialien und montierten Komponenten erforderlich sind. Dazu haben wir in den letzten Jahren Anfragen für Lastrahmen für 1 Mio. Pfund – sogar 2 Mio. Pfund – zum Testen von Bewehrungsstäben bekommen. Das ist neu, bisher lag die Nachfrage nach Bewehrungsprüfsystemen immer im Bereich von einer halben Million Pfund oder weniger. Und natürlich ist auch das zum Prüfsystem gehörende Zubehör – Spannzeug, Befestigungen, Sensoren – von den höheren Kraftanforderungen betroffen. Der Einsatz von Strukturprüfständen für die montierten RC-Träger wird sich ebenfalls weiterentwickeln, da die erneute Erforschung des unelastischen Verhaltens die Prüfziele und den Fokus verändern wird. Eine weitere Auswirkung ist, dass die Forscher nicht nur statisches, reines Zugverhalten untersuchen, sondern auch dynamische, durchgehende Zug-Druck-Ermüdungsversuche durchführen wollen.
F: Welche mechanischen Prüflösungen kann MTS anbieten, um solche hohen Kraftanforderungen zu erfüllen?
Bearden: Um die Anforderungen an die Prüfung von Materialien und Komponenten mit höherer Kraft zu erfüllen – Bewehrung, mechanische Verbindung und Bewehrungs-/Verbindungsbaugruppen – bieten wir eine komplette Auswahl an schlüsselfertigen Lastrahmenlösungen an, die Steuerungen, Anwendungssoftware, Spannzeuge, Vorrichtungen und Zubehör sowie hydraulische Leistung und Verteilung umfassen. Für dynamische Zug-Zug- oder Zug-Druck-Zyklen haben wir eine komplette Familie von dauerfesten, viersäuligen servohydraulischen Lastrahmen mit einem extrem breiten Kraftbereich von 1,0 bis 30,0 MN im Angebot.
Für die Prüfung von Strukturen in Originalgröße – Balken oder Säulen mit integrierten hochfesten Bewehrungsstäben – bieten wir schlüsselfertige Systeme an, die aus dauerfesten Prüfaktuatoren für das Bauwesen, Schwenkvorrichtungen für große Kräfte, großen Portalrahmen oder Reaktionsstrukturen, Steuerungen, Anwendungssoftware, Zubehör und, falls erforderlich, hydraulischer Energieversorgung und Verteilung bestehen. Typischerweise werden diese Systeme zur Durchführung von Drei- oder Vier-Punkt-Biegeversuchen eingesetzt und sind mehr als in der Lage, hochfeste RC-Prüfkörper bis zum Versagen zu fahren.
F: Werden für die Zukunft neue Technologien benötigt, um diese Anforderungen zu erfüllen?
Bearden: Wir müssen sicherstellen, dass das Portfolio von MTS weiterhin das enthält, was die Kunden benötigen. Es gibt Möglichkeiten für weitere Innovationen in unserer hydraulischen Keilgrifftechnologie. Die Kräfte, die für die Prüfung von hochfesten Bewehrungsstäben erforderlich sind, stoßen an die Grenzen unserer beliebten Seitenlast-Prüfkörperhalter, die eine relativ schnelle und einfache Installation der Prüfkörper ermöglichen. Allerdings lässt sich diese Konstruktion nicht ohne Weiteres skalieren, wenn man den Millionen-Pfund-Bereich erreicht, weil die Spannungen im Spannzeuggehäuse extrem hoch werden. Unsere Spannzeuge mit geschlossenem Gehäuse vom Typ 641 sind eine brauchbare Alternative für Tests in diesem Bereich, bieten aber nicht die gleiche einfache Installation. Deshalb untersuchen wir mögliche Verfeinerungen unserer seitlich belastbaren Keilspannzeuge. Darüber hinaus erforschen wir auch die potenziellen Vorteile verschiedener Arten von Messtechnologien, z. B. der optischen Extensometrie oder Laser-Extensometrie. Dennoch ist das aktuelle Angebot von MTS für die Prüfung von hochfesten Bewehrungsstäben und RC-Strukturen sehr gut geeignet. Unsere zielgerichteten, schlüsselfertigen Lösungen, unsere umfassende Erfahrung in diesem Anwendungsbereich und unsere Fähigkeit, den Forschern genau das zu bieten, was sie brauchen, bleiben unübertroffen.
