Title: Numerical, experimental & environmentally relevant investigations of carbon reinforced ultra-high performance concrete beams with integrated steel implants
Language: English
Authors: Stoiber, Nadine 
Qualification level: Diploma
Keywords: Karbonbeton; Verbundträger; CFK; UHFB; ultrahochfester Beton; Stahlimplantat; Hochleistungsmaterialien; nichtlineare FE-Berechnung; Ausziehversuche
Carbon concrete; composite; CFRP; UHPC; UHPFRC; ultra-high performance concrete; steel implant; high-performance materials; nonlinear finite element calculation; pull-out tests
Advisor: Kromoser, Benjamin 
Issue Date: 2019
Number of Pages: 139
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde der Anschlussbereich eines Einfeldträgers untersucht, welcher aus Hochleistungsmaterialien wie ultrahochfestem Beton und karbonfaserverstärktem Kunststoff besteht. Neben nichtlinearen FE-Berechnungen und experimentellen Untersuchungen wurde der Bauteil ebenfalls in Hinblick auf seine Umweltverträglichkeit bewertet. Im Vordergrund steht die generelle Machbarkeit des Bauteils sowie Aussagen zu Tragverhalten und Versagensmechanismen. Die Untersuchungen beziehen sich speziell auf einen Versuchsaufbau, wobei ein Einfeldträger (Fest-/Gleitlager) mit einer Einzellast nahe des Auflagerbereiches belastet wird. Der Bauteil baut sich aus einem Betonkörper, einer Karbonlamelle verlaufend an der Unterkante des Trägers sowie einem Stahlelement (”Stahlimplantat”) aus rostfreiem Stahl im Auflagerbereich auf. Das Stahlimplantat weist eine Öffnung auf und kann mittels Bolzen befestigt werden. Die Lamelle wird mittels Epoxidharzmörtel in das Stahlimplantat geklebt. Die Formfindung des Trägers beruht auf dem Prinzip, die Bauteilgestalt an die herrschenden Hauptspannungen anzupassen. Mehrere Trägervarianten wurden untersucht, wobei unter anderem der Beton (ultrahochfester Beton mit/ohne Stahlfasern), die Oberflächenbeschaffenheit der Lamellen (glatt/besandet) sowie die Form des Anschlussbereiches bzw. die Lage des Implantates (Öffnung Trägeroberkante/Trägermitte) variiert wurden. Für die nichtlineare Berechnung des Bauteils wurde die Software ATENA von Červenka Consulting konsultiert, welche auf Betonstrukturen spezialisiert ist. Besondere Sorgfalt wurde auf die Definition der Eigenschaften der Hochleistungsmaterialien gelegt. Laut den numerischen Ergebnissen versagen die Träger aus stahlfaserbewehrtem, ultrahochfestem Beton durch Reißen der Lamelle. Im Vergleich dazu versagt ein Träger aus ultrahochfestem Beton ohne Stahlfasern durch ein Versagen der Betondruckzone bei etwa der Hälfte der Kraft des Trägers mit Stahlfasern. Zunächst wurden zwei Reihen von Ausziehversuchen der Stahlimplantate mit eingeklebten Karbonlamellen durchgeführt. Die zweite Versuchsreihe enthält Optimierungen aus den Erkenntnissen der ersten Versuchsreihe, welche vor allem die Geometrie der Implantate betreffen. Es konnte insbesondere die Herstellungsgenauigkeit und die Herstellungsqualität mittels Wasserstrahlschneiden optimiert werden. Mehrere Varianten mit unterschiedlicher Anzahl an Zackungen, Einbindelänge, Öffnungsweite und Zackenneigung wurden durchgeführt. Nachfolgend wurde die Versuchsreihe der Trägerversionen durchgeführt, wobei mittels Materialtests die genauen Materialparameter des Betons ermittelt wurden. Die nichtlineare FE-Berechnung wurde dahingehend kalibriert. Die allgemeine Machbarkeit der Trägerversionen wurde bewiesen. Auf Optimierungsvorschläge in Hinblick auf eine mögliche Laststeigerung für zukünftige Versuche wird hingewiesen. Die anschließende Bewertung der Umweltverträglichkeit wurde in Anlehnung an die Arbeit von Kinast durchgeführt, wobei die Produktionsphase der Lebenszyklusanalyse berücksichtigt wurde. Der Träger bestehend aus Hochleistungsmaterialien wurde mit einem konventionellen Betonträger unter gleicher Maximallast der numerischen Ergebnisse verglichen. Die ökologische Betrachtung zeigt eine höhere Umweltbelastung des konventionellen Stahlbetonträgers in allen Wirkungskategorien.

The bearing area of a single-span girder composed of high-performance materials like ultrahigh performance concrete and carbon-fibre reinforced plastic was investigated in this master thesis. In addition to nonlinear finite element calculations and experimental investigations, the environmental impact of the building component was analysed. The investigation of the general feasibility of the building component as well as statements about load-bearing behaviour and failure mechanisms were of interest. All investigations refer to a specific test setup of a single-span girder with a fixed/sliding bearing under a concentrated load located close to the bearing area. The building component is composed of a concrete body, a carbon laminate running along the lower edge of the beam as well as a steel element (”steel implant”) in the bearing area out of stainless steel. The steel implant is characterised by an opening and can be easily attached and detached with a bolt. Epoxy resin mortar is used to glue the laminate into the implant. The form of the bearing area is based on the principle to adapt the geometry of the building component to the present principle stresses. Several beam versions were investigated, at which concrete (ultra-high performance concrete with/without fibres), the surface of the laminate (plain/sand-coated) as well as the form of the bearing area respectively the position of the implant (opening located at the upper edge/middle of the beam) varied. Regarding the nonlinear finite element calculations, the software ATENA of Červenka Consulting with an emphasis on concrete structures was consulted. Special diligence was placed on the definition of the material properties of the high-performance materials. According to the numerical results, the beam versions composed of ultra-high performance concrete with fibres failed due to a rupture of the laminate. In comparison, beam versions out of ultra-high performance concrete without fibres failed at a load of about half of the force of the beams with fibres. These beam versions failed due to a failure of the compression zone of the concrete body. Two pull-out test series of the steel implants with a glued in carbon laminate were executed. The second test-series includes optimisations due to the findings of the first test series, which mainly refer to the geometry of the steel implant. In particular, the respective accuracy and quality of the manufacturing using a waterjet-cutting production method was optimised. Several implant versions with variations regarding the number of teeth, bond length, opening width and teeth inclinations were investigated. Subsequently the test series of the beam versions was executed, at which the material properties of the applied concretes were determined as well. The nonlinear finite element calculations were calibrated due to these parameters. The feasibility of the beam versions was proven. Recommendations regarding optimisations to increase the applied load are outlined. The impact assessment of the environmental impact was executed in dependence on the thesis of Kinast, at which the production stage of the life cycle was considered. The beam composed of high-performance materials was compared to a conventionally reinforced concrete beam under the same maximum concentrated load of the numerical results. The assessment of the whole beam versions illustrates that the conventionally reinforced concrete beam shows overcharge in all considered impact categories.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-125809
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11422
Library ID: AC15387715
Organisation: E212 - Institut für Tragkonstruktionen 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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