Entwicklung eines effizienten und dauerhaften Verankerungssystems für vorgespannte eingeschlitzte Kohlefaserlamellen zur Bauteilverstärkung

Abstract

Tragwerksverstärkungen gewinnen heute immer mehr an Bedeutung.<br />Nutzungsände-rungen, Instandsetzungen oder funktionelle Änderungen haben oft Auswirkungen auf die Tragstruktur, sodass diese verstärkt werden muss.<br />Mit vorgespannten eingeschlitzten Kohlefaserlamellen (PNSM) wird eine verbesserte Ausnutzung des verwendeten Werkstoffs (CFK) erreicht. Die Lamelle wird innerhalb der Betondeckung eingeschlitzt und vorgespannt.<br />Die Vorteile von PNSM sind: Akti-vierung von Eigengewicht, Verbesserung des Verformungs- und Rissverhaltens. Je-doch ist der Spannvorgang selbst noch sehr aufwendig und es müssen oft sehr teure Verankerungen am Bauwerk verbleiben, die vor Korrosion geschützt werden müssen.<br />Aus diesen Gründen wird die PNSM-Verstärkung wie folgt weiterentwickelt:<br />? Schritt 1: Schlitzen, Vorspannen und Verkleben der Lamelle im Schlitz ? Schritt 2: Entfernung der Spannvorrichtung und Einbringen der dauerhaften Klebeendverankerung aus Epoxidharz Durch die Anwendung der Composite Wedge-Technik konnte eine Spannvorrichtung für PNSM-Verstärkungen entwickelt werden, welche die Vorspannkräfte innerhalb der Betondeckung mit Keiltechnik und Reibung rasch und einfach aufbringt. Die Vor-richtung wurde experimentell sowie numerisch untersucht. Es können damit 2,5 mm dicke Lamellen bis zur Bruchfestigkeit von 3100 N/mm² (Bruch auf freier Strecke) verankert werden. Zur Dimensionierung der Verankerung wird ein Näherungsverfah-ren auf Basis der Affinität zwischen Spannung und Steifigkeit hergeleitet.<br />Die Funktionalität und das Tragverhalten der weiterentwickelten PNSM-Verstärkungen mit Klebeendverankerung werden experimentell und numerisch unter-sucht. Dazu werden Verankerungsversuche mit der Klebeendverankerung und 2 Ver-suchsreihen an Balken und Platten durchgeführt. Der entscheidende Vorteil der ent-wickelten Verstärkungsmethode ist, dass die Spannvorrichtung wiedergewonnen wird.<br />Somit entstehen Kostenvorteile gegenüber existierenden Systemen. Da zur Ver-stärkung nur korrosionsbeständige Materialien verwendet werden, ergeben sich für die Dauerhaftigkeit noch zusätzliche nachhaltige Vorteile. Eine ebene Tragwerksun-tersicht ist das Ergebnis der nachträglichen Verstärkung.<br />Im Anschluss an die Versuche wird aus den Erkenntnissen ein Konzept für eine bau-praktische Bemessung abgeleitet und vorgeschlagen.<br />

Strengthening of buildings is a new engineering task. Changes of use, retrofitting of buildings or functional changes often have an impact on the building structure and require a strengthening method.<br />Strengthening with prestressed near surface mounted (PNSM) carbon fibre rein-forced polymers (CFRP) is a powerful technique, where a CFRP-strip is placed and prestressed in a groove within the concrete cover. The utilisation of CFRP can be in-creased and the advantages of PNSM are the activation of dead loads and a better per-formance for deflection as well as cracks. But the prestressing action is very elabo-rate, and often very expensive anchorages have to remain on the structure, which must be protected against corrosion.<br />For these reasons the PNSM-Method is further developed:<br />? Step 1: Prepare a groove, pretension and bond the strip to the structure ? Sep 2: Removal of the prestressing device and implementation of a permanent bond anchorages made of epoxy raisin By using the Composite Wedge-Technique a prestressing unit for the PNSM-Method could be developed, which operates within the concrete cover and uses the wedge technique and a friction interface. The force can be applied fast and simple. The de-vice for PNSM was tested in experiments and numerical simulations. It is possible to anchor strips with a width of 2,5 mm up to ultimate CFRP-strength at 3100 N/mm² (failure appears on the free strip length). An approximation procedure is developed for design purposes, where the affinity between stress and stiffness distribution is used.<br />The functionality and bearing behaviour of the further developed PNSM-Method and permanent bond anchorage were investigated by experiments and numerical simula-tions. Push and pull tests and a long term test were conducted for the bond anchor-age. In 2 testing series plates and beams were strengthened with PNSM. The main advantage of the developed strengthening method is that the prestressing unit can be reused. This enables cost advantages compared to existing prestressing systems and the strengthening process only requires the durable materials epoxy and CFRP. The result is a smooth surface of the strengthened building.<br />Subsequent to the experiments, a design approach for PNSM strengthening was de-rived from the test results and a proposition was made.