Das Ermüdungsverhalten von Beton wurde in der Literatur bislang sehr ausführlich anhand von zentrisch beanspruchten Zylinderprobekörpern untersucht. Untersuchungen, die sich mit zyklisch biegebeanspruchten Betonbauteilen im Druckschwellbereich beschäftigen, existieren nur in geringer Zahl. Solche Bauteile sind beispielsweise in Turmstrukturen von Windenergieanlagen vorhanden, die aktuell in großem Umfang errichtet werden. Für hochfesten Beton, wie er in diesen Bauwerken meist verwendet wird, liegen noch weniger Untersuchungsergebnisse vor. Aufgrund der hohen auftretenden Lastwechselzahlen und der großen Querschnittsabmessungen ist die versuchstechnische Untersuchung des Ermüdungsverhaltens solcher Strukturen mit großen Herausforderungen verbunden. Mit Hilfe von numerischen Simulationen kann hingegen eine Vielzahl an Parametervariationen innerhalb kürzester Zeit untersucht werden, wodurch eine beschleunigte Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Bauteilen möglich wird. Die dafür verwendeten Materialmodelle werden schnell sehr komplex und benötigen eine aufwendige Kalibrierung der Eingangsparameter an Bauteilversuchen. Ein Modell zur Abbildung der makroskopischen Schädigungsprozesse im Beton unter Ermüdungsbeanspruchung in Querschnitten unter Druckschwellbeanspruchung, das anhand von üblichen Zylinderversuchen kalibriert werden kann, existiert bisher nicht. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Punkte aufgegriffen und ein Modell zur Simulation der Schädigungsentwicklung und von Spannungsumlagerungen in ermüdungsbeanspruchten Betondruckzonen numerisch implementiert. Hierfür wurde ein dreistufiges Vorgehen gewählt. Im ersten Schritt wurden experimentelle Untersuchungen konzipiert und durchgeführt. Die Versuche waren eine wichtige Grundlage für das numerische Modell und wurden an zylindrischen und balkenförmigen Probekörpern durchgeführt. Aus statischen und zyklischen Versuchen an den Betonzylindern wurden die Eingangsparameter für das Materialmodell ermittelt und die Balkenversuche dienten zur Validierung des Modells. Diese wurden in einem Resonanzprüfstand durchgeführt, mit dem sich die erforderlichen großen Kräfte mit Belastungsfrequenzen von 19 Hz realisieren ließen. Damit konnten die hohen auftretenden Lastwechselzahlen in kurzer Zeit erreicht werden. Im zweiten Schritt wurde ein additives Dehnungsmodell in den Berechnungsablauf der Finite-Elemente-Software ANSYS Mechanical implementiert. Die zugrundeliegenden Funktionen für die Steifigkeits- und Dehnungsverläufe wurden aus Zylinderversuchen abgeleitet. Im dritten Schritt erfolgte die Validierung der numerischen Implementierung anhand der Balkenversuche. Es wurden unterschiedliche Phänomene betrachtet, wie z. B. die Temperatur- und Dehnungsentwicklung sowie die Veränderungen in der Materialsteifigkeit und die daraus resultierenden Spannungsumlagerungen im Querschnitt. In den experimentellen Untersuchungen der Balkenprobekörper wurde mit der Resonanzprüfmethode ein Ermüdungsversagen durch Abplatzen der Betondruckzone oder durch eine vollständige Zerstörung der Balken erzielt. Die ertragenen Lastwechselzahlen aller Balken lagen deutlich über den Bruchlastwechselzahlen nach fib Model Code 2010. Die Ursache dafür ist eine frühe Schädigung und Steifigkeitsabnahme der am stärksten beanspruchten Bereiche, die dort zu einer nachfolgenden Verringerung der Spannungen führte. In den numerischen Nachrechnungen konnten die in den Balkenversuchen beobachteten Effekte bestätigt werden. Vor allem die am stärksten geschädigten Bereiche konnten mit dem Modell sehr gut abgebildet werden. Es wurde zudem gezeigt, dass sich infolge der Entlastung der geschädigten Bereiche Spannungen in weniger stark beanspruchte Bereiche umlagerten. Dies bestätigte die positive Wirkung der Spannungsumlagerungen auf die Ermüdungslebensdauer der Bauteile. Mit dem Modell können Parameterstudien mit z. B. variierenden Belastungsniveaus oder Vorspannungsgraden durchgeführt werden, um wertvolle Erkenntnisse zur Vordimensionierung ermüdungsbeanspruchter Bauteile und zur Identifikation markanter Stellen in der Geometrie zu gewinnen. Für weiterführende Aussagen ist die Durchführung zusätzlicher Versuche notwendig, um das numerische Modell auf ein breiteres Parameterspektrum zu erweitern. / The fatigue behavior of concrete has so far been studied intensively in the literature using centrically loaded cylindrical specimens. Only a few studies have been carried out on concrete structures subjected to cyclic bending loads. Such structures can be found in wind turbine towers, for example. Research results for high-strength concrete, which is usually used in such structures, are even scarcer. Due to the high number of occurring load cycles and the large cross-sectional dimensions, the testing of the fatigue behavior of such structures is associated with major challenges. Numerical simulations, in contrast, enable the investigation of a large number of parameter variations within a very short period of time, which accelerates the investigation of the fatigue behavior of components. The used material models quickly become very complex and require time-consuming calibration of the input parameters in structural tests. A model for simulating the macroscopic damage processes in concrete subjected to fatigue loading in compressed cross-sections, which can be calibrated using standard cylinder tests, does not yet exist. The present work addresses these aspects and implements an additive strain model to simulate the damage development and stress redistributions in fatigue-loaded concrete compression zones. A three-step approach was chosen for this. In the first step, experimental investigations were designed and carried out. The tests are essential for the numerical model and were carried out on cylindrical and beam-shaped specimens. The input parameters for the material model were determined from static and cyclic tests on the concrete cylinders and the beam tests were used to validate the model. The beam tests were carried out in a resonance-based testing facility, which allowed the realization of the required high forces with load frequencies of 19 Hz. This made it possible to apply the high number of load cycles in a short time. In the second step, the strain model was implemented in the simulation procedure of the finite element software ANSYS Mechanical. The functions for the stiffness and strain development were derived from cylinder tests. In the third step, the numerical implementation was validated using the beam tests. Different phenomena were considered, such as the temperature and strain development as well as the changes in material stiffness and the resulting stress redistributions in the cross-section. In the experimental investigations of the beam specimens, fatigue failure due to spalling of the concrete compression zone or complete destruction of the beams was achieved using the resonance-based testing facility. All beams endured significantly more load cycles than the number of cycles to failure according to fib Model Code 2010. This was due to early damage and a reduction in stiffness in the most heavily loaded regions, which subsequently led to a reduction in stresses. The numerical simulations confirmed the effects observed in the beam tests. In particular, the model was able to simulate the most damaged regions very well. Moreover, it was shown that stresses redistributed to less heavily loaded regions as a result of the relief of the damaged regions. This confirmed the positive effect of stress redistributions on the fatigue life of the structures. The model can be used to carry out parameter studies with varying load levels or degrees of prestressing, for example, in order to gain valuable insights into the predimensioning of fatigue-loaded structures and to identify critical locations in the geometry. For more detailed conclusions, additional tests have to be carried out in order to expand the numerical model to a wider range of parameters.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte "gestörte" Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

Bohrlochintegrität ist unerlässlich für die erfolgreiche und nachhaltige Produktion und Injektion von Fluiden aus Reservoirgesteinen, wie beispielsweise bei der Nutzung von Kohlenwasserstoffen, Geothermie oder Standorten für geologische Speicherung. Um die Integrität einer Bohrung über seine Lebenszeit zu gewährleisten, ist vor allem eine erfolgreiche primäre Komplettierung nötig. Besonders die Zementation der Rohre stellt dabei ein großes Risiko dar, weil durch die natürlichen Gegebenheiten im Bohrloch viele Faktoren Einfluss auf die Zusammensetzung und Verteilung der Zementsuspension haben. Diese Studie untersucht das Monitoring-potenzial von faseroptischer ortsverteilter Dehnungsmessung DSS (distributed strain sensing). Ergänzend zu faseroptischer ortsverteilten Temperaturmessung DTS (distributed temperature sensing), welche seit mehr als zwei Jahrzehnten in der Industrie Anwendung findet, kann jeder Ort einer Glasfaser zusätzlich Informationen über den mechanischen Spannungszustand geben. Experimentelle und analytische Arbeiten wurden durchgeführt, um die Auswirkung von Laständerungen auf einer Faser zu quantifizieren. Desweiteren wurde der Einfluss komplexer mehrschichtiger Bohrlochkabel auf Dehnungsmessergebnisse untersucht. Ein faseroptisches Messkabel wurde im Zuge dieser Arbeit im Ringraum entlang der Produktionsrohrtour einer Bohrung installiert. Die gemessenen Geländedaten zeigen Ergebnisse aus zwei Arbeitsschritten der Fertigstellung der Bohrung - der Filterverkiesung und der Zementation. Aufgrund der Dichtedifferenz von Kies und Bohrspülung wurde am Kabel ein Dehnungseffekt gemessen. Die Teufe, in welcher der Dehnungseffekt auftritt, korreliert mit Wireline Gamma-Gamma-Dichtedaten, welche im gleichen Zeitfenster gemessen wurden. Die anschliessende Kompaktion des Kieskopfes wurde durch das Glasfaserkabel in Form einer zunehmenden mechanischen Belastung erfasst. Während der anschliessenden Zementation der Rohrtour wurde ein Dehnungseffekt in der Mischzone von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften gemessen. Anhand eines Experiments konnte bestätigt werden, dass fluidrheologische Parameter (wie die Fluidviskosität) mit einem faseroptischen Messkabel quantifiziert werden können. Hierfür werden Fluidscherspannungen gemessen, welche durch das Fliessen von Fluiden an der Kabeloberfläche hervorgerufen werden (amtliches Zeichen zur Patentanmeldung: EP 19171265.2). DSS-Messungen erweiten das Verständnis von Fluidverdrängungsvorgängen in Bohrlöchern und ermöglichen eine Beurteilung von Komplettierungsvorgängen in Echtzeit. / Borehole integrity is fundamental for the successful and sustainable utilization of hydrocarbons, geothermal energy and sites for geological storage. The success of the primary well completion is necessary to ensure the integrity of a well over its lifetime. In particular, the casing cementation represents a great risk because many factors have an influence on the composition and distribution of the cement suspension due to the natural conditions in the borehole. This study investigates the monitoring potential of fiber-optic distributed strain sensing (DSS) using a measurement cable which is installed in the annulus of a well. Similar to distributed temperature sensing (DTS), which is used for temperature monitoring in industry applications for more than two decades, fibers additionally convey information about their mechanical stress state. Laboratory as well as analytical work was performed to quantify the effect of load changes on a fiber. In addition, the influence of complex multilayered downhole cable on the strain response is examined. The presented field data shows results from two stages of the well completion - the gravel packing and the cementation. Due to the difference in density of gravel and drilling fluid, a deformation is measured on the cable. The depth at which the stretching effect occurs correlates with wire-line gamma-gamma density data measured in the same time window. The subsequent compaction of the gravel head, which was not revealed by the logging measurement, was detected by the fiber optic cable in the form of an increasing mechanical load on the cable. During cement pumping, fluid shear stresses create a measurable load on the cable, especially in the mixing zone of liquids with dfferent rheological properties. Based on this observation, an experiment was designed and conducted which aims at measuring fluid rheological parameters such as fluid viscosity. For this purpose, the fluid shear stresses acting on the fiber optic sensing cable in the flow path are measured (patent application number: EP 19171265.2). DSS measurements extend the understanding of fluid displacements in wellbores and allow an assessment of well completion process in real time.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte "gestörte" Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

Ein zentraler Baustein zur Reduktion von CO2-Emissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie. Forschungsbedarf besteht dabei bei der ressourceneffizienten Herstellung der Turmstrukturen. Bei Nabenhöhen von über 100 Metern sind Hybridtürme aus vorgespannten Stahlbetonsegmenten die geeignetste Konstruktion. Hierfür ist jedoch eine genaue Kenntnis des Ermüdungsverhaltens von Beton erforderlich. In der Literatur existieren überwiegend Untersuchungen an kleinformatigen zylindrischen Probekörpern, deren Ergebnisse nur bedingt auf die großmaßstäblichen Bauteile übertragen werden können. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden daher zum einen Großversuche mit zyklisch biegebeanspruchten, vorgespannten Betonbalken sowie Begleitversuche an zylindrischen Probekörpern und zum anderen numerische Simulationen der Balkenversuche durchgeführt. Das numerische Materialmodell wurde aufbauend auf einem additiven Dehnungsmodell im Finite-Elemente-Programm ANSYS Mechanical in einem iterativen Berechnungsablauf implementiert. Die Betondehnungen setzen sich hierbei aus vier Anteilen zusammen, einem elastischen, einem plastischen, einem viskosen und einem Temperaturdehnungsanteil. Somit konnte der kombinierte Einfluss der Anteile auf das Ermüdungsverhalten von Beton dargestellt werden. In den Großversuchen konnte bei den Balkenprobekörpern ein Ermüdungsversagen der Betondruckzone erzeugt werden, das sich an dieser Stelle durch Risse parallel zur Drucknormalspannung sowie teilweises Abplatzen der Betondruckzone, die der größten Spannungsschwingbreite ausgesetzt war, einstellte. Es zeigte sich, dass dies erst nach deutlich mehr Lastwechseln eintrat als bei den axial beanspruchten Betonzylindern in den zyklischen Begleitversuchen mit derselben Spannungsschwingbreite. Dies ist auf die Spannungsumlagerung zurückzuführen, die im Querschnitt aufgrund der ermüdungsbedingten Materialdegradation und Steifigkeitsverringerung der stark beanspruchten Randbereiche stattfand. In den Begleitversuchen wurden die Materialparameter für das numerische Modell ermittelt, mit dem im Anschluss die Balkenversuche nachgerechnet wurden. Es konnten die in den Versuchen beobachteten Effekte der Steifigkeitsdegradation und Spannungsumlagerung und die daraus resultierende Lebensdauerverlängerung nachgebildet werden. Das Modell kann somit für weitergehende Lebensdaueruntersuchungen von ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen verwendet werden.:ABSCHLUSSBERICHT 1 Allgemeine Angaben 2 Zusammenfassung / Summary 3 Wissenschaftlicher Arbeits- und Ergebnisbericht 4 Veröffentlichte Projektergebnisse