Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-102
Authors: Hwash, Mohamed
Title: Umgelenkte Lamellen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff als freistehende Spannglieder im Konstruktiven Ingenieurbau
Other Titles: Deviated freestanding CFRP-Strips as prestressed element in structural engineering
Issue Date: 2013
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Forschungsberichte aus dem Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart;35
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-86652
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/119
http://dx.doi.org/10.18419/opus-102
ISBN: 978-3-922302-35-3
Abstract: Vor ca. 60 Jahren begann die Entwicklung der Faserverbundwerkstoffe (FVK). Bereits Anfang der fünfziger Jahre wurden die ersten Karosserieteile für die Corvette aus FVK produziert. Das erste Segelflugzeug wurde aus glasfaserverstärktem Kunststoff an der Universität Stuttgart gebaut. Zwischen 1956 und 1970 wurden ca. 70 unterschiedliche Kunststoffhaustypen entwickelt. Einige der einzigartigen Kunststoffhäuser, wie das Monsantohaus, Futuro, Rondo etc., stehen immer noch als Beweise für diese Zeit (Abb. 1-1, Abb. 1-2). Trotz der enormen Resonanz in der Öffentlichkeit verschwanden diese Häuser in den 70ern wieder. Zum Einen lag das an den baukonstruktiven und bauphysikalischen Problemen und zum Anderen an dem Fehlen einer angemessenen architektonischen Umsetzung [1]. Heute sollen Faserverbundwerkstoffe (FVK) gezielt auf Anwendungen beschränkt werden, in denen sie Vorteile gegenüber herkömmlichen Baustoffen einbringen können. Ihre hervorragenden Werkstoffeigenschaften, die einen erfolgreichen Einsatz im konstruktiven Ingenieurbau versprechen, stehen dem Nachteil der noch recht hohen Kosten dieser Werkstoffe gegenüber. Heute kommt neben der Glasfaser (GFK) die Kohlenstofffaser (CFK) im Bauwesen zum Einsatz. Sie hat in der Luft- und Raumfahrtechnik durch ihre geringe Rohdichte und hohe Zugfestigkeit schon lange interessante Verwendungen gefunden. Auch die Fahrzeugtechnik setzt zunehmend auf die Materialeigenschaften der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe. Beispielweise besteht die Karosserie eines Mercedes SLR fast komplett aus CFK (Abb. 1-3). In der Bautechnik wurden seit Jahrzehnten alternative Zugelemente mit hoher Korrosionsbeständigkeit gesucht, um Spann- und Bewehrungsstahl zu ersetzen. Hier zeichnet sich CFK gegenüber Spannstahl durch hohe Zugfestigkeit in Faserrichtung, geringes Gewicht, hervorragende Korrosionsbeständigkeit, sowie durch überlegenes Ermüdungs- und Relaxionsverhalten aus. Berücksichtigt man neben den Herstellungskosten auch die Erhaltungskosten, z.B. von Brücken, stellen sie eine wirtschaftlich interessante Variante dar. Vor zwanzig Jahren haben Kohlenstofffaserlamellen ihren Siegeszug im Bauwesen begonnen. Sie haben auf Grund ihrer günstigen Materialeigenschaften und ihrer einfachen Handhabung auf der Baustelle, interessante Anwendungsfelder eröffnet. Sie werden primär zur Sanierung und Verstärkung von Tragkonstruktionen verwendet und stellen hier eine leistungsfähige Alternative zu den bisher üblichen Stahllaschen dar (Abb. 1-4). Nach erfolgreichen Untersuchungen und Gutachten wurden 1995 zum ersten Mal in Magdeburg Loggia-Platten mit Carbo-Dur-Lamellen verstärkt. In Deutschland wurde im Jahr 1997 die erste allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für Kohlenstofffaserlamellen erteilt. Nach der Zulassung folgten vielfältige Ertüchtigungen im Hoch- und Brückenbau. Die Lamelle wird i.d.R. mit einem Epoxidharzmörtel schlaff auf die Stahlbetonkonstruktion aufgeklebt. In diesem Fall können etwa 12% ihrer Zugkraft ausgenutzt werden. Aufgrund der immer noch hohen Kosten für CFK-Material bedeutet dies eine spürbare Einschränkung der Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens. Inzwischen konzentrieren sich die Entwicklungen darauf, die Lamelle unter Vorspannung auf die Stahlbetonkonstruktion aufzukleben, um ihre hohe Grenzdehnung und Festigkeit effektiver auszunutzen. Neben den Vorteilen, die diese Werkstoffe besitzen, haben sie aufgrund ihres anisotopen Materialaufbaus jedoch auch einige nachteilige Eigenschaften. In erster Linie ist hier die Empfindlichkeit für Beanspruchung durch Querpressung zu nennen. Aufgrund dessen stellt die Konstruktion der Endverankerung bzw. Umlenkung auf einem Sattel die größte Herausforderung bei der Weiterentwicklung dieser Bauweise zum Einsatz vorgespannter Lamellen dar. Da Kohlestofffasern nahezu dauerschwingfest sind und einen erheblich besseren Ermüdungswiderstand aufweisen als alle metallischen Werkstoffe, liegt der Gedanke nahe, CFK-Lamellen nicht nur für die Verstärkung von Betonbauteilen, sondern auch als freies und externes Zugglied zu verwenden, z.B. für extern vorgespannte Stahlbetonbrücken (Hohlkastenbrücken) oder für unterspannte Decken im Hochbau. Für solche Anwendungen kommen grundsätzlich auch CFK-Paralleldrahtbündel in Frage, wie sie in [86-93] schon verwendet wurden. Allerdings ist die Produktion der unidirektional verstärkten Lamellen im Pultrusionsverfahren einfacher. Außerdem reduziert der fl ache Querschnitt die Querpressungen und ermöglicht eine Schichtung mehrerer Lamellen an der Umlenkung. Die geringe Lamellenstärke erlaubt zudem enge Umlenkradien, wie sie zwar weniger bei extern vorgespannten Hohlkastenträgern, aber bei unterspannten Decken im Hochbau erforderlich sind. Um CFK-Lamellen als externe Spannglieder einsetzten zu können, muss die konstruktive Gestaltung der wesentlichen Konstruktionsdetails vorgespannter CFK- Lamellen, nämlich der Endverankerung und der Umlenkung auf einem Sattel, gelöst werden. Für die Endverankerung liegen bereits Ansätze von verschiedenen Forschungseinrichtungen vor. Was derzeit jedoch noch gänzlich fehlt, sind Kenntnisse über das Tragverhalten von umgelenkten CFK-Lamellen. Ziel dieser Arbeit ist es, erste Erkenntnisse über umgelenkte CFK-Lamellen zu gewinnen, um ihre grundsätzliche Eignung als externe Spannglieder zu beurteilen. Hierzu gliedert sich die Arbeit in zwei wesentliche Teile: Teil 1: Statische Versuche an umgelenkten Lamellen: Der erste Teil besteht aus einer Reihe von Zugversuchen an umgelenkten CFK-Lamellen auf der institutseigenen Prüfanlage. Dabei wurde der Einfl uss elementarer Parameter, wie Umlenkradius und Umlenkwinkel, auf die Bruchlast erfasst. Teil 2: Versuche mit relativer Verschiebung zum Umlenksattel: Mit den in Teil 1 gewonnenen Ergebnissen wurden weitere Versuche in Anlehnung an die ETAG 013 (Ausgabe Juni 2002), die europäische ,,Richtline für die Eignungsprüfung von Spannverfahren für externe Vorspannung“ durchgeführt. Dadurch sollte ein ganz wesentlicher Effekt, nämlich die Reibung während des Vorspannvorganges oder unter auftretender Relativverformung einer Lamelle zum Umlenksattel und der Einfl uss dieser Verformung auf die Bruchlast erfasst werden. Auf Grundlage der gewonnen Erfahrungen wurden konstruktive Vorschläge für die Gestaltung von Anwendungsmöglichkeiten erarbeitet und dargestellt.
The development of fiber-reinforced composites (FRP) began about 60 years ago. At the beginning of this period the first body parts for the Corvette were produced from FRP. The first glider was constructed of fiberglass-reinforced plastic at the University of Stuttgart. Between 1956 and 1970, approximately 70 different plastic types of houses had been developed. Some of the unique plastic houses, like the Monsantohaus, Futuro, Rondo, etc., are still regarded as examples of developments during this period. Despite the enormous public response these houses disappeared back in the 70s. This was due in part to the building design and building physics problems and in part to the lack of an appropriate architectural implementation. In the last two decades, the use of CFRP composites as a reinforcement for concrete members has emerged as one of the most exciting and promising technologies in materials / structural engineering. They have risen in importance due to their ideal material properties, namely light weight, flexibility on site and interesting areas of application. They are used primarily for the rehabilitation and strengthening of support structures and present here a performance alternative to conventional steel plates. Due to the high price of CFRP-Strips their application today is mostly found in buildings, where their strength is highly utilized and the strips are needed in small quantities, e.g. for the strengthening and rehabilitation of reinforced concrete structures. The CFRP-Strip is glued to the concrete structure with an epoxy resin mortar. In this case, about 12% of its tensile force can be utilized. Due to the high cost of carbon fiber material, this significant restriction reduces the efficiency of this process. In the meantime, new developments and research focus on direct gluing of pre-stressed CFRP-Strips on reinforced concrete constructions in order to improve their stability. The applied prestress increases the degree of utilization for the CFRP-Strip, while at the same time the pre-stressed CFRP-Strips need to anchor their force locally into the concrete. This is not easy due to the sensitivity of the carbon fibers to transverse loads. The development of CFRP-Strip anchorage is presently under investigation in many research institutions and universities. This strip could also be used for external prestressing of bridges or for slabs building structures. Because of the fl at and broad cross section of a CFRP-Strip, the lateral strain at the bearing saddle and the end anchorages is smaller than that induced by circular tension members, and this may be of advantage. At present, knowledge of the deviated CFRP-Strips is still missing: How does load bearing capacity change, if the CFRP-Strip is deviated on a saddle and stressed? The aim of this work is to gain an initial understanding of diverted FRP strips to evaluate their suitability as external tendons. For this purpose, the work is divided into two main parts. Part 1: Static tests on deviated CFRP-Strips The first part consists of a series of experiments to determine the load bearing capacity, strain responses up to failure and the failure mode of CFRP-Strips at different deviation saddle geometries. Part 2: Experiments with a relative movement to the deviation saddle A very important effect was not being captured by the experiments in part 1, namely the movement of the strip on the deviation saddle during the prestressing process. Furthermore, the deformation of the strip which occurs under loading can influence the fracture load. In order to capture this effect, experiments with relative strip movement to deviation saddle were carried out according to the ETAG 013, Annex B5.1. Summary The use of CFRP-Strips as freestanding elements for bridge constructions seem to be promising; The high tensile strength of carbon fibre reinforced polymers, combined with the high compression strength of the concrete offer a durable construction system. The results of the current experimental work showed that the ultimate strength of the deviated CFRP-Strips is significantly affected by the bending radius, the deviation angle and friction, so that the following recommendations can be drawn. 1- For small deviation angel of 15° and by using a bending radius of 1000 mm the reduction factor of the deviated strip was increased up to 95% without any need for a Polyethylene layer, i.e. there is low contact pressure as well as a low friction effect on the breaking force of the strip. 2- With the help of Polyethylene layer (HD-HML) for a deviation angle of 30° and by using a bending radius of 1000 mm the acceptance criteria for mandatory requirements, which are listed in the Guideline for European Technical Approval of post-Tensioning Kits for Prestressing of Structures, can be satisfied, i.e. reduction factor up to 95%. 3- For deviation angles between 30° and 110° an ultimate strength reduction factor up to 85% should be considered in the design.
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