Entwicklung einer hochfrequenten Prüfmethode für Dauerschwingversuche

Abstract

Nicht immer kann mit der rechnerischen Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit von Tragkonstruktionen das Auslangen gefunden werden. Für große Bauteile, wie zum Beispiel Schrägkabel oder Spannglieder, wird ein ausreichender Widerstand gegen ein Ermüdungsversagen experimentell bestimmt. In der Regel muss der Prüfkörper zwei Millionen Mal einer vorgegebenen Spannungsamplitude standhalten. Diese Dauerschwingversuche werden meist mit servo-hydraulisch gesteuerten Prüfvorrichtungen durchgeführt, die erzielbare Prüffrequenz ist jedoch gering, meist im Bereich von einem Lastzyklus pro Sekunde. Ein Dauerschwingversuch mit zwei Millionen Lastwechseln und einer Prüffrequenz von einem Hertz dauert demnach 23 Tage. Der Betrieb des Hydraulikaggregates und die Kühlung des Hydrauliköls erfordern für die Versuchsdauer einen sehr hohen Energieeinsatz. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuen Prüfverfahrens am Institut für Tragkonstruktionen. Die Prüfmethode nutzt den Resonanzeffekt positiv aus und ermöglicht dadurch wesentlich schnellere Prüfzeiten und gleichzeitig einen wesentlich geringeren Energieeinsatz als bekannte servo-hydraulisch betriebene Versuchseinrichtungen Die erfolgreiche Akquisition von Forschungsmitteln und die Unterstützung der TU-Wien machten die Errichtung einer Prüfvorrichtung für statische und dynamische Versuche an zugbeanspruchten Bauteilen bis 20.000 kN möglich. Der Reaktionsrahmen, eine 150Tonnen schwere und 16m lange Spannbetonkonstruktion, wurde so konzipiert, dass auch eine zusätzliche Anwendung als Aufspannfeld für Biegeversuche gegeben war. Pilotversuche an drei Prüfkörpern mit neun Spannstahllitzen zu je 150mm² zeigten die Funktionsfähigkeit der neuen Prüfmethode. Bei einer Prüffrequenz von 20,45Hz konnte ein dynamischer Vergrößerungsfaktor von rund 2000 erreicht werden. Die am Institut für Tragkonstruktionen der Technischen Universität Wien zur Verfügung stehende Prüfvorrichtung ermöglicht für zugbeanspruchte Bauteile, wie z.B. Schrägkabel, Prüffrequenzen zwischen 20 und 40 Hz bei einer Oberlast von 10.000 kN. Der Energieeinsatz für Dauerschwingversuche kann im Vergleich zu bestehenden Anlagen um den Faktor 1000 gesenkt werden.

Fatigue is one of the leading causes of failure in mechanical components and structures subjected to cycling loading. The testing of structural components e. g. stay cables for stay cable bridges under cyclic loading constitutes one of the most important fields of experimental mechanics. The testing of specimens with 2 to 20 million load cycles is only feasible for small specimens but not for large structural bridge elements. Usually conventional servo-hydraulic testing machines are used thus the testing time and energy consumption increase dramatically in regard to specimen size. The achievable testing frequency for stay cables or tendons is lower than one cycle per second and the time to carry out two million load cycles amounts to approximately 23 days. This doctoral thesis describes a new approach to the testing of large structural elements by taking advantage of the resonance effect. Testing frequencies from 20 up to 40Hz will be possible and the energy consumption can be decreased dramatically. A research fund and the support of Vienna University of Technology allowed the construction of a testing set-up for dynamic fatigue tests. The multifunctional reaction frame can be used for tension and bending tests. First tests on tendons (9 strands 150mm2) were performed and proved the efficiency and high potential of the new development. The testing frequency was 20,45Hz and the dynamic magnification factor due to resonance amounted to 2000. The testing set-up at the Institute for Structural Engineering at Vienna Universtity of Technology provides the possibility of dynamic fatigue tests on specimens subjected to tension with upper loads up to 10.000 kN and static load tests up to 20.000 kN. Depending on the specimen, the testing of large components can be carried out 20 to 40 times faster than with the conventional servo-hydraulic testing procedure. At the same time, energy requirements drop to a fraction (1:1000 or less) of the energy used in a conventional test.