MARKETINGINFO. Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Beton unter Druck belastung Vergleich von DIN EN und DIN NEWSLETTERTECHNIK

Transkript

1 Oelzealbrücke, Neubausrecke Ebensfeld - Erfur, Verkehrsprojek der Deuschen Einhei 8, DB ProjekBau GmbH, Berlin Besimmung des Elasiziäsmoduls von Beon uner Druck belasung Vergleich von DIN EN und DIN Dr. Jennifer Scheyd, Projekingenieurin Bauberaung, E&A Leimen 1 Einer der wichigsen Fesbeon kennwere is der Elasiziäsmodul (E-Modul), der den Widersand von Beon gegenüber einer elasischen Verformung beschreib. Sei Juni dieses Jahres wird die Ermilung des E-Moduls von Beon uner Druck beanspruchung in DIN EN [1] geregel. Dami wurde die bislang in Deuschland gelen de DIN [2] abgelös. Die sich durch die neue Prüfnorm erge benden Veränderungen bei der Prüfung des E-Moduls werden nachfolgend erläuer. Die maßgebenden Unerschie de sind in Tabelle 1 gegenübergesell. Wesen liche Schlussfolgerung is, dass mi Verfahren B nach DIN EN im Wesenlichen, mi nur geringfügigen Abweichungen (10 s kürzere Halezei der Spannungs plaeaus), die bisherige Prüfungsdurchführung nach DIN beibehalen werden kann.

2 Für in Form hergeselle Probekörper DIN Verfahren A DIN EN Verfahren B anfänglicher E-Modul E C,0 Besimmer Kennwer E-Modul E b sabilisierer E-Modul E C,S sabilisierer E-Modul E C,S Allgemeines Prüfungsdurchführung Probekörpergeomerie Probekörperanzahl 3 Prüfaler des Beons Prüfmaschine Messgeräe Probenlagerung i. d. R. 28 Tage Prüfmaschine Klasse 2 es muss möglich sein, die Las eine Minue lang konsan zu halen Änderung der Anzeige um 1 mm bzw. um 1 Ableseeinhei darf max. einer Dehnungsänderung von 5 µm/m ensprechen nach Enformen 6 Tage bei C (besser 20 ± 2 C) in Feuchkammer oder Wasserlagerung 1) danach bis zur Prüfung vor Zugluf geschüz rocken bei C (besser 20 ± 2 C) bevorzug Zylinder mi d/h = 150/300 mm keine Vorgaben Prüfmaschine Klasse 1 es muss möglich sein, die Las mi einer maximalen Abweichung von ± 5 % konsan zu halen mind. Klasse 2 nach DIN EN ISO 9513 (d. h. Abweichung < 6 µm im Bereich einer Längenänderung von 0 bis 300 µm und < 2 % im Bereich einer Längenänderung von 300 µm) Analog zur Lagerung der Probekörper für die Druckfesigkeisprüfung; bei Lagerung nach DIN (Nasslagerung) vor der Prüfung rockene Lagerung bei 20 ± 2 C so lange (max. 24 Sunden), dass Messgeräe angebrach werden können, hierbei Ausrocknen des Probekörpers verhindern. Belasungs-Zeidiagramm siehe Abb. 1 siehe Abb. 2 siehe Abb. 4 und 5 Besimmung der Druckfesigkei vor Durchführung der E-Modulprüfung nach DIN EN Probekörper 2) nach DIN EN Probekörper 2) Be-/Enlasungsgeschwindigkei 0,3 bis 0,7 MPa/s 0,4 bis 0,8 MPa/s Anzahl Zyklen 3 Unerspannung 0,5 MPa p 0,15 Vorbelasungszyklen Oberspannung 0,10 b 0,15 Haleplaeau jeweils bei Erreichen der Ober- bzw. Unerspannung Anzahl Zyklen 3 Unerspannung u 0,5 MPa 0,10 b 0,15 0,5 MPa p 0,15 Belasungszyklen Oberspannung o /3 Haleplaeau 30 s vor und nach der 3. Belasung jeweils bei Erreichen der Ober- bzw. Unerspannung jeweils bei Erreichen der Ober- bzw. Unerspannung o u Berechnung des E-Moduls E b = ε o ε u m am b E C,O = ε a,1 ε b,0 m am b E C,O = ε a,3 ε b,2 m am p E C,S = ε a,3 ε p,2 Besimmung der Druckfesigkei nach Durchführung der E-Modulprüfung nach DIN EN am Probekörper, an dem der E-Modul besimm wurde Abweichungen 20 % von der eingangs besimmen Druckfesigkei sind im Prüfprookoll zu vermerken 1) Leichbeon is vor Feucheaufnahme zu schüzen 2) Probekörper sollen hinsichlich Ar, Maßen, Hersellung und Nachbehandlung den Proben für die E-Modulprüfung ensprechen 3) Durchführung der Vorbelasungszyklen zur Überprüfung des Versuchsaufbaus Tabelle 1: Gegenübersellung von DIN und DIN EN (Verfahren A und B) 2

3 BESTIMMUNG DES E-MODULS NACH DIN Nach DIN wird der E-Modul als Sehnenmodul besimm. In Abbildung 1 is das Belasungs-Zei-Diagramm zur Besimmung des E-Moduls nach DIN dargesell, Tabelle 1 gib die wesenlichen Schrie der Prüfungsdurchführung wieder. Die Ermilung des E-Moduls erfolg nach drei Belasungszyklen. Durch das Aufbringen mehrerer Belasungszyklen wird die viskose Beonverformung minimier, so dass sich der Beon bei der drien Belasung haupsächlich elasisch verform. Vor und nach der drien Belasung is ein Haleplaeau der uneren bzw. oberen Prüfspannung von 30 s vorgesehen. Am Ende des jeweiligen Plaeaus werden die Spannungen und zugehörigen Dehnungen erfass, die zur Berechnung des E-Moduls herangezogen werden. DIN DIN EN E b Wesenliche Formelzeichen Elasiziäsmodul [N/mm²] ε o Dehnung bei oberer Prüfspannung [-] ε u Dehnung bei unerer Prüfspannung [-] o u E C,0 E C,S obere Prüfspannung [N/mm²] unere Prüfspannung [N/mm²] anfänglicher Elasiziäsmodul [MPa] sabilisierer Elasiziäsmodul [MPa] Druckfesigkei [N/mm²] ε a Dehnung bei oberer Prüfspannung [-] ε b Dehnung bei unerer Prüfspannung [-] ε p Dehnung bei Vorbelasungsspannung [-] a b p Nennwer der oberen Prüfspannung [MPa] Nennwer der uneren Prüfspannung [MPa] Nennwer der Vorbelasungsspannung [MPa] BESTIMMUNG DES E-MODULS NACH DIN EN Die akuelle Prüfnorm DIN EN erlaub die Besimmung des E-Moduls nach zwei Verfahren (Verfahren A und B). Verfahren B wurde u. a. auf Veranlassung der deuschen Miglieder des Normengremiums aufgenommen, da es die Besimmung des E-Moduls in Analogie zur DIN ermöglich (siehe hierzu Abschni Verfahren B nach DIN EN ). Der E-Modul wird in DIN EN als Sekanenmodul bezeichne. Die Unerspannung darf bis zu 15 % der Druckfesigkei beragen. Durch die Möglichkei, eine höhere Unerspannung zu wählen, kann bei Prüfung mi Prüfmaschinen mi höheren Höchslasen die Prüfgenauigkei verbesser werden, da diese höhere Unerspannung besser gehalen werden kann, als die geringe Unerspannung nach DIN ( u = 0,5 MPa). Auch wird dami sichergesell, 3 o /3 u 0,5 MPa Abbildung 1: Belasungs-Zei-Diagramm für die Besimmung des E-Moduls nach DIN dass im kalibrieren Bereich der Prüfmaschine (i.d.r. 1 % von F max ) geprüf wird. Die Prüfungsdurchführung nach DIN EN sieh vor, dass bei Erreichen der Unerspannung bzw. Oberspannung diese jeweils zwischen 0 und 20 s gehalen werden kann, wobei die Halezei nich prookollier werden muss. Variable 30 s u, ε u 30 s o, ε o Druckfesigkei nach DIN EN Hale zeien können zu einer Erhöhung der Prüfsreuung zwischen Prüflaboren führen, insbesondere dann, wenn aufgrund der Beonzusammensezung eine erhöhe Kriechneigung oder Rissanfälligkei des Beons beseh. Es wird daher empfohlen, die Halezeien im Prüfberich zu vermerken.

4 Vorbelasungszyklen Belasungszyklen a /3 a ± 5% hierbei Überprüfung des Versuchsaufbaus anhand von ε b ε a,1 am, ε a,3 Druckfesigkei nach DIN EN b ± 5% 0,10 b 0,15 ε b I II III ε b 60 s ε b,0 bm, ε b,2 0,5 MPa p b Abbildung 2: Belasungs-Zei-Diagramm für die Besimmung des anfänglichen und sabilisieren E-Moduls nach DIN EN , Verfahren A Verfahren A nach DIN EN Verfahren A glieder sich in zwei Prüfabschnie: 3 Vorbelasungszyklen zur Überprüfung des Versuchsaufbaus 3 Belasungszyklen zur Besimmung des sog. anfänglichen (E C,0 ) und sabilisieren E-Moduls (E C,S ) Die wesenlichen Schrie der Prüfungsdurchführung für Verfahren A sind in Tabelle 1, das Belasungs-Zei-Diagramm in Abbildung 2 dargesell. ε ε 1 (Messgerä 1) ε 2 (Messgerä 2) ε miel (gemiel aus Messgerä 1 und 2) ε 1, Zyklus II I II III ε 2, Zyklus II maximal 10 % Abweichung ε 1, Zyklus III ε miel ε 2, Zyklus III maximal 20 % Abweichung Innerhalb der Vorbelasungszyklen (Abb. 2, I bis III) werden die zenrische Posiionierung des Probekörpers in der Prüfmaschine und die Sabiliä der Verkabelung der Messgeräe (z. B. Wegaufnehmer) überprüf. Es gelen folgende Anforderungen (siehe auch Abb. 3): (1) Zwischen dem zweien und drien Zyklus darf die mi Messgerä 1 gemessene Dehnung maximal um 10 % von der mi Messgerä 2 gemessenen Dehnung abweichen. Abbildung 3: Überprüfung des Versuchsaufbaus anhand der Dehnungen aus dem Dehnungs-Zei-Diagramm (DIN EN , Verfahren A, Vorbelasungszyklus) (2) Die nach dem drien Zyklus mi den Messgeräen 1 bzw. 2 gemessene Dehnung darf um maximal 20 % vom Mielwer aus beiden Dehnungen abweichen. maximal 10 % Abweichung Bei nichbesandener Überprüfung sind die Messgeräe zu jusieren bzw. der Probekörper is neu auszurichen und der Versuch muss neu gesare werden. Werden die Überprüfungskrierien nich eingehalen, is die Prüfung abzubrechen und die Prüfkörper zu verwerfen. 4

5 Innerhalb der anschließenden Belasungszyklen (Abb. 2, 1 bis 3) wird der anfängliche E-Modul E C,0 nach der ersen Belasung und der sabilisiere E-Modul E C,S nach der drien Belasung ermiel (vgl. auch Tab. 1). Bei der Besimmung des anfänglichen E-Moduls wird also noch ein viskoser Verformungsaneil erfass, der bei der Besimmung des sabilisieren E-Moduls durch das Aufbringen der drei Belasungszyklen weigehend eliminier is, so dass nur noch der nahezu elasische Verformungsaneil erfass wird. Abweichungen zwischen dem anfänglichen und dem sabilisieren E-Modul können außerdem ein Hinweis darauf sein, dass die zyklische Belasung bzw. das Halen der Prüfspannung zu einer Mikrorissbildung oder zu einer Zunahme von bereis vorhandenen Mikrorissen (z. B. bei Bohrkernen) geführ ha. Verfahren B nach DIN EN Die wesenlichen Schrie der Prüfungsdurchführung für Verfahren B sind in Tabelle 1, das Belasungs-Zei-Diagramm is in Abbildung 4 dargesell. a /3 0,5 MPa u 0,15 a ± 5% b ± 5% ε a,1 Abbildung 4: Belasungs-Zei-Diagramm für die Besimmung des E-Moduls nach DIN EN , Verfahren B In Verfahren B wird ausschließlich der sabilisiere E-Modul E C,S besimm. Die Überprüfung des Versuchsaufbaus erfolg bei Verfahren B nich im Rahmen von Vorbelasungszyklen, sondern innerhalb der Belasungszyklen durch den Vergleich der Dehnungen: (1) Die nach dem zweien Zyklus mi den Messgeräen 1 bzw. 2 gemessene Dehnung darf um maximal 20 % vom Mielwer der im ersen Zyklus gemessenen Dehnungen (Mielwer = ε a,1, vgl. Abb. 4) abweichen. (2) Zwischen dem zweien und drien Zyklus darf die mi Messgerä 1 gemessene Dehnung maximal um 10 % von der mi Messgerä 2 gemessenen Dehnung abweichen. Überprüfung des Versuchsaufbaus anhand von ε a,1, ε a,2 und ε a,3 ε p,1 ε a,2 pm, ε p,2 am, ε a,3 Druckfesigkei nach DIN EN Bei nichbesandener Überprüfung sind die Messgeräe zu jusieren bzw. der Probekörper is neu auszurichen, und der Versuch muss neu gesare werden. Werden die Überprüfungskrierien nich eingehalen, is die Prüfung abzubrechen. Wird lediglich Krierium (2) verfehl, d. h. die Abweichung beräg mehr als 10 %, so kann die Prüfung forgesez werden, aber die Abweichung is im Prüfprookoll zu vermerken. 5

6 Es is möglich, die E-Modulprüfung nach Verfahren B im Wesenlichen an die Prüfungsdurchführung nach DIN anzupassen (vgl. Abb. 5). Der Unerschied lieg dann lediglich in der Haledauer der Las vor und nach dem drien Belasungszyklus, da DIN eine Halezei von 30 s vorgib und nach Verfahren B die Spannung maximal 20 s gehalen wird. Die kürzere Halezei ha zur Folge, dass eine geringere Kriechverformung zu erwaren is als nach DIN , was zu einem höheren E-Modul führen kann. Ein ebenfalls zeiabhängiger Prozess is die Enwicklung von Mikrorissen im Beon, das heiß mi zunehmender Halezei kann es zu einer Zunahme von Mikrorissen kommen. Da Mikrorisse den Verformungswidersand herabsezen, kann die Prüfung nach DIN EN bei rissanfälligen Beonen zu einem höheren E-Modul führen als die Prüfung nach DIN Dies is ggf. in sysemaischen Unersuchungen zu überprüfen. VERGLEICHBARKEIT DER E-MODULN NACH DIN EN (VERFAHREN B) UND DIN Zur Abschäzung des zu erwarenden Einflusses der kürzeren Haledauer der Spannung bei Prüfung nach DIN EN , Verfahren B im Vergleich zur a /3 p = 0,5 MPa Sabilisierer E-Modul m m a p E C,S = ε a,3 ε p,2 a ± 5% p ± 5% Abbildung 5: Anpassung des Belasungs-Zei-Diagramms nach DIN EN (Verfahren B) an DIN Prüfung nach DIN wurden vorliegende Dehnungs-Zei-Kurven von drei Beonen unerschiedlicher Fesigkeisklassen herangezogen. Diese waren nach DIN mi der dor fesgelegen Halezei von 30 s ermiel worden. Aus diesen Diagrammen wurden die mileren Dehnungen und Spannungen nach einer Halezei von 20 s abgegriffen und der zugehörige E-Modul E b,20s berechne. pm, ε p,2 Be-/Enlasungsgeschwindigkei: 0,4... 0,7 MPa/s am, ε a,3 Druckfesigkei nach DIN EN Aus Tabelle 2 wird ersichlich, dass die nach einer Haledauer von 20 s ermielen E-Moduln zwar endenziell höher liegen, als die nach DIN ermielen Were. Allerdings is die Zunahme mi Weren von < 1 % vernachlässigbar. Bei Verwendung des Belasungs-Zei- Diagramms nach Abb. 5 is somi nich mi einer praxisrelevanen Abweichung der Prüfergebnisse nach DIN EN im Vergleich zur Prüfung nach DIN zu rechnen. 1) ε u,20s ε u,30s ε o,20s ε o,30s E b,20s E b (DIN ) [N/mm² ) ] [µm/100 mm] [µm/100 mm] [µm/100 mm] [µm/100 mm] [N/mm² ) ] [N/mm² ) ] [%] 46,7 1,588 1,507 40,858 41, ,7 41,1 5,265 5,183 55,718 55, ,6 36,4 6,382 6,322 51,870 52, ,4 1) Druckfesigkei ermiel im Anschluss an die E-Modulprüfung Tabelle 2: Abschäzung des Einflusses der Redukion der Halezei von 30 s auf 20 s auf den ermielen E-Modul E b 6

7 ZUSAMMENFASSUNG Im vorliegenden Arikel wurden die wesenlichen Unerschiede zwischen DIN und der im Juni 2014 eingeführen DIN EN zur Besimmung des E-Moduls uner Druckbelasung beleuche. Die Veränderungen sowie mögliche Auswirkungen für die Praxis sind nachfolgend kurz zusammengefass: Die Prüfungsdurchführung gesale sich bei Verfahren A deulich komplexer als nach DIN Hinzu komm, dass die Beschreibung der Prüfverfahren in DIN EN schwerer versändlich is als in DIN Die höheren Anforderungen an Prüfgeräe und Messechnik nach DIN EN können zu einer Verringerung der Sreubreie der Prüfergebnisse beiragen. Bei der Prüfung nach DIN EN is eine höhere unere Prüfspannung wählbar (maximal 15 % der Druckfesigkei ansa 0,50 MPa nach DIN ). Dies erhöh die Prüfgenauigkei, da diese höhere Prüfspannung besser gehalen werden kann. Die Prüfung nach DIN EN , Verfahren A ermöglich die Besimmung eines anfänglichen und eines sabilisieren E-Moduls und dami auch die Beureilung der Rissneigung des Beons. Dies kann im Einzelfall von Voreil sein. Die Halezeien der oberen und uneren Prüfspannung sind nich fes vorgegeben, sondern zwischen 0 und 20 s frei wählbar und müssen nich prookollier werden. Da variable Halezeien jedoch zu einer Erhöhung der Prüfsreuung zwischen Prüflaboren führen, insbesondere dann, wenn aufgrund der Beonzusammensezung eine erhöhe Kriechneigung oder Rissanfälligkei des Beons beseh, wird empfohlen, die gewähle Halezei im Prüfprookoll anzugeben. Verfahren B der DIN EN ermöglich eine Prüfungsdurchführung, die weiesgehend derjenigen nach DIN ensprich (vgl. Abb. 5). Die Prüfungsdurchführung unerscheide sich dann nur durch eine um rd. 10 s kürzere Halezei der Spannungsplaeaus. Eine erse Abschäzung (siehe Tab. 2) ha gezeig, dass die nach Verfahren B, Abb.5 ermielen Were nich signifikan von den Weren nach DIN abweichen. Da DIN EN vergleichsweise große Variaionen im Belasungs-Zei- Diagramm zuläss, wäre es sinnvoll, die Anpassung an DIN (vgl. Abb. 5) als naionale Empfehlung feszulegen. Dies würde die Reproduzierbarkei der ermielen Kennwere sichersellen sowie die Anschlussfähigkei an die nach aler Normung ermielen Kennwere gewährleisen. Lieraur [1] DIN EN : : Prüfung von Fesbeon Teil 13: Besimmung des Elasiziäsmoduls uner Druckbelasung (Sekanenmodul). Beuh Verlag, Berlin, 2014 [2] DIN : : Prüfverfahren für Beon Teil 5: Fesbeon, gesonder hergeselle Probekörper. Beuh Verlag, Berlin, zurück