Einfluss seismischer Dehnungsbeanspruchung auf das Entwicklungsverhalten von Mikrorissen in Beton-TPB-Versuchen mit AE-Technologie

Warum winzige Risse im Beton bei Erdbeben wichtig sind

Wenn ein Erdbeben eine Stadt erschüttert, hängt die Sicherheit von Brücken, Tunneln und Gebäuden davon ab, wie der Beton in ihnen versagt. Diese Studie untersucht im Detail die winzigen Risse, die sich bilden und wachsen, wenn Beton mit Geschwindigkeiten gebogen wird, die seismischem Schütteln ähneln. Indem die Forschenden auf die Geräusche hören, die beim Entstehen von Rissen entstehen, zeigen sie, wie schnellere Erschütterungen Beton stärker erscheinen lassen können, gleichzeitig aber das Versagen zu einem plötzlicheren und spröderen Ereignis machen — mit wichtigen Folgen für die strukturelle Sicherheit.

Wie das Team erschütterungsähnliche Belastung getestet hat

Die Forschenden fertigten Betonbalken mit einer Anfangskerbe und bogen sie in einer Dreipunktbiegeanordnung, bei der jeder Balken auf zwei Stützen lag und in der Mitte eine Belastung nach unten wirkte. Sie kontrollierten sorgfältig, wie schnell die Last angelegt wurde — von sehr langsam, nahezu statischen Bedingungen, bis zu Raten, wie sie bei Erdbeben auftreten. Gleichzeitig setzten sie Sensoren für akustische Emission ein, die wie kleine Mikrofone wirken und die elastischen Wellen aufzeichnen, die entstehen, sobald sich ein Mikroriss bildet oder wächst. So konnten sie sowohl das sichtbare Verhalten des Balkens als auch die unsichtbare Rissaktivität tief im Inneren dokumentieren.

Beton wird stärker, aber spröder, je schneller die Belastung

Die Biegeversuche zeigten, dass Beton unter langsamer und schneller Belastung unterschiedlich reagiert. Als die Verformungsrate von nahezu statisch auf erdbebenähnliche Werte anstieg, erhöhte sich die maximale Last, die die Balken tragen konnten, um etwa ein Drittel, und die Energie, die nötig war, um einen Riss durch den Balken zu treiben, stieg in ähnlichem Umfang. Diese scheinbare Verstärkung entsteht, weil das in Poren und feinen Spalten gefangene Wasser bei hohen Belastungsraten nicht schnell genug abfließen kann und zusätzlichen Widerstand erzeugt, der das Risswachstum verlangsamt. Allerdings gingen die höheren Traglasten mit einem abrupteren Versagensverhalten einher: weniger sichtbare Vorzeichen und ein steilerer Lastabfall, sobald der Haupt­riss durchbrach.

Von gewundenen Umgehungen zu geradlinigen Durchbrüchen

Die Analyse der Bruchflächen ergab, dass sich die Rissverläufe mit der Belastungsrate änderten. Bei langsamer Belastung schlängelten sich Risse um die größeren Gesteinskörner und folgten schwächeren Grenzbereichen zwischen Gestein und Mörtel. Die Bruchflächen waren rau, und viele grobkörnige Zuschlagstoffe blieben intakt sichtbar — ein Hinweis auf ein graduelleres, duktileres Versagen. Bei schnellerer Belastung verliefen die Haupt­risse geradliniger und schnitten direkt durch viele Zuschlagstoffe. Dieses gerade, durchschlagartige Versagensbild deutet darauf hin, dass das Material keine Zeit hatte, einen leichteren Weg zu suchen, und stattdessen stärkere Teile des inneren Skeletts brach, wobei sich die Schäden in einer schmalen Zone konzentrierten.

Risse hören, um versteckte Schäden zu kartieren

Die Messungen der akustischen Emission lieferten ein detailliertes Bild der Mikrorissentwicklung. Mit steigender Belastungsrate nahmen sowohl die Zahl der registrierten Ereignisse als auch die gesamte akustische Energie zu, was auf intensivere innere Schäden hinweist. Bei niedrigen Raten verteilten sich diese Ereignisse entlang der Balkenlänge und entsprachen einer breiten Schadenszone und einem gekrümmten Haupt­riss. Bei höheren Raten konzentrierten sich die Signale nahe der vorhandenen Kerbe, was zeigt, dass sich kleine Risse zu einer einzigen, fokussierten Bruchlinie vereinigten. Durch die Analyse der Form der aufgezeichneten Wellenformen fand das Team außerdem heraus, dass sich der dominante Rissmechanismus von Öffnungsrissen, die Flächen auseinandertreiben, hin zu Scherrissen verschob, die die Flächen aneinander vorbeigleiten lassen, je schneller die Belastung wurde.

Was das für erdbebensicheres Entwerfen bedeutet

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Beton unter erschütterungsähnlicher Belastung höhere Spannungen aufnehmen kann, aber tendenziell plötzlicher versagt, mit geraderen, scherdominierten Rissen, die kaum Vorwarnung geben. Dieser Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität bedeutet, dass Auslegungsregeln, die nur auf langsamen, statischen Tests beruhen, das Risiko eines spröden Versagens bei realen Erdbeben unterschätzen könnten. Die Ergebnisse legen nahe, dass Ingenieure berücksichtigen sollten, wie sich Rissmuster und innere Schäden mit der Belastungsrate ändern, Bereiche von Bauwerken verstärken sollten, in denen Scherrissbildung wahrscheinlich ist, und Überwachungssysteme einsetzen sollten, die Verschiebungen im Rissverhalten erkennen, bevor es zum plötzlichen Zusammenbruch kommt.

Zitation: Xiao, D., Wen, L., Cao, Y. et al. Influence of seismic strain stress on evolution law of microcracks in concrete TPB tests using AE technology. Sci Rep 16, 15483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49968-0

Schlüsselwörter: Betonbruch, seismische Belastung, Dehnungsrate, Mikrorisse, akustische Emission