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Baustofftechnik 1 - Zugversuch bei Baustählen

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Baustofftechnik 1

Zugversuch bei Baustählen

Der Zugversuch stellt das wichtigste Verfahren zur Prüfung von Baustoffen - speziell Baustahl - in der Baustofftechnik dar.

Zugversuch, Prüfmaschine
Zugversuch, Prüfmaschine

Der Zugversuch dient der Ermittlung des Baustoffverhaltens bei einachsiger, gleichmäßig über den Querschnitt verteilter Zugbeanspruchung. Im Mittelpunkt jeder Untersuchung steht die Ermittlung der Baustoffwiderstandsgrößen, deren Kenntnis für jede Konstruktion existenziell wichtig ist. 

Merke

Hier klicken zum AusklappenIm Zugversuch wird eine Zugprobe (z. B. ein Probenstab) gleichmäßig und stoßfrei gestreckt, bis der Bruch eintritt. Vom Beginn bis zum Ende des Versuchs werden die Belastung und die Längenänderung der Probe kontinuierlich gemessen. 

Probestäbe

Probenstabvarianten
Probenstabvarianten

Bei der Versuchdurchführung sind die Proportionalitätstäbe folgendermaßen bemessen:

kurzer Proportionalitätsstab: $\frac{l_0}{d_0} = 5 $

langer Propotionalitätsstab: $ \frac{l_0}{d_0} = 10 $

Prüfmaschine

Zugversuch mit Zugprüfmaschine
Zugversuch mit Zugprüfmaschine

Zur Durchführung des Zugversuchs wird die Zugprobe in eine Prüfmaschine eingespannt. Es existieren viele verschiedene Maschinentypen, daher stellen wir dir hier nur drei Varianten vor:

  • Prüfmaschine mit mechanischer Krafterzeugung
  • Prüfmaschine mit hydraulischer Krafterzeugung
  • Universalprüfmaschine

Die ersten beiden Prüfmaschinen unterscheiden sich lediglich in der Art der Krafterzeugung, ansonsten ist der Messvorgang identisch. Die Universalprüfmaschine nutzt sowohl eine hydraulische Krafterzeugung als auch eine hydraulische Kraftmessung unter Verwendung eines Pendelmanometers. Da diese Prüfmaschine am weitesten verbreitet ist, wird der Prüfvorgang anhand dieser beschrieben.

Prüfvorgang

Bevor der Probenstab belastet werden kann, wird dieser in die Prüfmaschine fest eingespannt. Die Art der Einspannung richtet sich hierbei nach der Form der Probe. Proben mit Gewindeköpfen werden oft mittels kugelförmiger Lager eingespannt, damit sie sich genau in Zugrichtung einstellen können. Proben aus Flach- oder Rundmaterial hingegen spannt man oft mit Beißkeilen ein, welche sich unter zunehmender Belastung immer weiter zusammenziehen und somit die Probe fixieren. Nach dem Einspannen wird die Probe unter Zugspannung gesetzt, indem der Biegetisch langsam und stoßfrei hochgefahren wird (siehe Skizze). Dieser Vorgang wird fortgesetzt bis die Probe reißt. Während des gesamten Vorgangs misst ein Messgerät die Krafthöhe und die Längenänderung des Zugstabes. 

Als Ergebnis erhält man eine für jeden Werkstoff spezifische Kraft-Verlängerungs-Kurven.

Kraft-Verlängerungs-Kurve
Kraft-Verlängerungs-Kurve

Merke

Hier klicken zum AusklappenDa diese Kurve sowohl vom untersuchten Baustoff, als auch von der Geometrie der Probe abhängt, empfiehlt es sich anstelle dessen den Verlauf im Spannungs-Dehnungs-Diagramm darzustellen, welches nun vorgestellt wird. 

Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Zugversuch

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm wird der Kraftverlängerungskurve vorgezogen. Die nächsten Abbildungen zeigen erst den Kurvenverlauf allgemein und anschließend für zwei Werkstoffe, der eine mit und der andere ohne ausgeprägte Streckgrenze:

Spannungs-Dehnungs-Diagramm
Spannungs-Dehnungs-Diagramm

1. ohne ausgeprägte Streckgrenze

Bitte Beschreibung eingeben

2. mit ausgeprägter Streckgrenze

Bitte Beschreibung eingeben

 

Damit du bei den ganzen Bezeichnungen nicht den Überblick verlierst, haben wir dir alle Größen nacheinander aufgeführt:

  • $ \beta_{So}$ = obere Streckgrenze
  • $ \beta_{Su} $ = untere Streckgrenze
  • $ \beta_{0,01} $ = technische Elastizitätsgrenze (bleibende Dehnung 0,01 %)
  • $ \beta_{0,2} $ = 0,2-Dehngrenze (bleibende Dehnung 0,2 %)
  • $ \beta_Z $ = Zugefestigkeit (Höchstlast)
  • $ \beta_u $ = Zerreißfestigkeit
  • $ \varepsilon_L $ = Lüders-Dehnung (Fließen)

Methode

Hier klicken zum AusklappenBleibende Dehnung: $\delta = \delta_g + \delta_e $

Dabei: 

  • $ \delta_g$ = Gleichmaßdehnung
  • $ \delta_e $ = Einschnürdehnung

Methode

Hier klicken zum AusklappenBrucheinschnürung: $ \Psi = \frac{A_0 - A_u}{A_0} \cdot 100 % $

Dabei:

  • $ A_0 $ = Ausgangsquerschnitt (zu T=0)
  • $ A_u $ = Kleiner Querschnitt (Einschnürung)