Verbundverhalten von CFK-Stäben in UHPC

Abstract

Ultrahochfester Beton (Ultra High Performance Concrete - UHPC) mit Bewehrung aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) könnte bei bestimmten Anwendungen Vorteile gegenüber dem derzeit eingesetzten Stahlbeton aufweisen, befindet sich derzeit allerdings noch im Forschungsstadium. Insbesondere die hohe Zugfestigkeit und Korrosionsresistenz von CFK-Bewehrung verspricht bei einem Einsatz als Betonbewehrung potenzielle Materialersparnisse und Verbesserungen der Dauerhaftigkeit der Betonbauteile. In dieser Arbeit wird anfangs ein kurzer Überblick über die Herstellung und Eigenschaften dieser beiden Materialien und die möglichen Vorteile ihrer Kombination präsentiert. CFK-Bewehrungsstäbe werden in Varianten mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit hergestellt und bieten in ihrem Verbundverhalten verschiedene Vor- und Nachteile bezüglich ihrer Verbundfestigkeit und -steifigkeit sowie ihrer Versagensmodi. Diese Arbeit beschäftigt sich vor allem mit Stäben mit einer eingefrästen Wendel. Das Verbundverhalten von CFK-Stäben in Beton ist sowohl für schlaff bewehrte als auch für mit CFK-Stäben vorgespannte Bauteile von Interesse, und möglichst gute Verbundeigenschaften sind für diese Anwendungen wünschenswert. Daher beschäftigt sich in dieser Arbeit auch ein Abschnitt mit der Verbundwirkung von Bewehrungsstäben in Beton und den grundsätzlichen Unterschieden zwischen Stahl- und CFK-Bewehrungsstäben. Daran anschließend wird eine im FE-Programm ATENA durchgeführte Parameterstudie präsentiert, in der CFK-Stäbe mit unterschiedlichen Oberflächenprofilierungen hinsichtlich ihres Verbundes mit UHPC untersucht wurden. Abschließend werden in dieser Arbeit zwei Serien von Ausziehversuchen beschrieben, die mit drei selbst hergestellten Stabvarianten und zwei von Herstellern bezogenen CFK-Bewehrungsstabtypen durchgeführt wurden. Die Versuchsergebnisse werden mit den Berechnungsergebnissen aus ATENA 2D und den Ergebnissen früherer Studien verglichen. Alle geprüften Stäbe erreichten einerseits höhere mittlere Verbundfestigkeiten als vorangegangene Versuche an der TU Wien mit den teils gleichen Materialien, andererseits wurden in den Versuchen auch teilweise niedrigere Verbundfestigkeiten erreicht als in ähnlichen Versuchen an anderen Forschungseinrichtungen.

Ultra-high-performance concrete (UHPC) with reinforcement made of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) could have several advantages compared to conventional steel-reinforced normal-strength concrete for certain applications. This combination of materials is still being developed though, and has only been used in relatively few projects. Especially the high tensile strength and corrosion resistance of CFRP reinforcement is of value in concrete and could lead to savings in materials used as well as higher durability of concrete members. A brief overview of the manufacturing process and key properties of these materials and the possible advantages of their combination is presented in the first chapters of this thesis. CFRP reinforcing rods are manufactured in variants exhibiting various surface geometries and thus have different advantages, disadvantages and other characteristics with respect to their bond behavior. This thesis primarily covers rods with cut helical grooves. The bond behavior of CFRP rods is of interest for both non-prestressed and prestressed concrete members and good bond properties are desirable for both of these applications. This thesis presents a brief summary of literature on the bond behavior of reinforcing rods in concrete and the differences between steel and CFRP rods. A parametric study of different numerically modelled groove geometries on CFRP rods with respect to their influence on bond behavior in UHPC is then presented and its results discussed. The calculations for this study were done in the FE-program ATENA 2D and yielded results which agreed with test results obtained later to varying degrees. Finally, two series of pull-out tests conducted with three chosen variants of grooved rods and two commercially available rod types are presented. The results are compared to the results obtained from the numerical models as well as similar tests carried out in former work at TU Wien. All tested rods achieved higher maximum mean bond stresses on average than those tested before at TU Wien using the same materials in some cases. However, these test specimens also achieved lower peak bond strengths than those used in similar tests conducted elsewhere.