Einsatz gewickelter Faserbewehrungen zur Herstellung von Betonbauteilen mit aufgelösten Geometrien

Abstract

Diese Arbeit behandelt die vielversprechenden Potentiale nichtmetallischer Bewehrungen im Bauwesen als sinnvolle Ergänzung zum konventionellen Stahlbetonbau. Hochleistungsfasern,umgeben von einer Kunststoffmatrix, bieten hohe Zugfestigkeiten und Korrosionsbeständigkeit.Der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen kann einen Wandel von massiven Bauteilen mit hohem Ressourcenverbrauch hin zu effizienten Bauteilen, die optimal dem Kraftfluss folgen, bewirken. Insbesondere im Zusammenhang der Korrosionsbeständigkeit eröffnet der Einsatz nichtmetallischer Bewehrungen großes Potential für eine materialeffiziente, filigrane Formensprache, die bereits in historischen Bauwerken Anwendung fand. Im Rahmen ganzheitlicher Baukonzepte, die die Ressourcennutzung und Kosten über den gesamten Lebenszyklus von Bauwerken berücksichtigen,könnten Bauteile mit nichtmetallischer Bewehrung zukünftig eine größere Rolle spielen und ihr volles Potential entfalten.Im ersten Abschnitt wird darauf eingegangen, wie ein materialeffizienter Umgang mit Baustoffenökologische, aber auch ökonomische Vorteile bringen kann. Dazu wird anhand von historischen Bauwerken der damalige Zugang zu komplexer Bauteilgeometrie unter dem Gesichtspunkt der hohen Materialkosten zu der Zeit gezeigt, und thematisiert, wie nichtmetallische Bewehrungenaufgetretene Schäden hätten verhindern können. Es werden die Ausgangsmaterialien und die Materialeigenschaften von nichtmetallischer Bewehrung verglichen, sowie der durch die hervorragenden Eigenschaften ermöglichte erweiterte Gestaltungsspielraum in Sanierung und Neubau hervorgehoben. Dafür werden Anwendungen in verschiedenen Baukontexten gezeigt und ein Überblick über die technischen, gestalterischen und nachhaltigen Aspekte nichtmetallischer Bewehrungen im Bauwesen gegeben. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wird speziell auf Faserverbundkunststoffe (FVK) aus Basalt eingegangen. Es wird eine Versuchsreihe zur Bestimmung der Zugfestigkeit unterschiedlich hergestellter FVK durchgeführt und die, durch die Anisotropiedes Werkstoffes bedingten, aufgetretenen Probleme thematisiert. Die Versuchsergebnisse der verschiedenen Produkte werden anschließend ausgewertet und interpretiert. Weiters erfolgt die Evaluierung einer neuen Methode der Bewehrungsapplikation anhand von zwei dünnwandigen Hohlkastenträgern. Diese Methode zeichnet sich dadurch aus, dass die Bewehrungsstränge in Form einer Wicklung aufgebracht werden. Dadurch lassen sich theoretisch vollautomatisiert Betonstrukturen mit aufgelösten Geometrien realisieren. Das Anwendungspotential wird anhand eines realen Projekts demonstriert.Mit dieser Arbeit wird demonstriert wie durch den Einsatz von automatisierten und robotergestützten Fertigungstechniken in Zukunft eine effiziente und maßgeschneiderte Bewehrungsführung für diverse Anwendungsfälle durch die gewickelte Bewehrungsapplikation geschaffen werden kann.Die bereits in Planung befindliche Erstanwendungen der untersuchten Wickeltechnik zeigt, dass auch neue Fertigungstechniken relativ schnell in der Praxis implementiert werden können und nährt die Hoffnung auf weitere neue Anwendungsgebiete. Weitere Forschungsschritte könnten darin bestehen, den Einfluss der Wicklungsführung auf das Tragverhalten verschiedener Bauteile näher zu untersuchen oder auch herauszufinden, wie ausgehend von einer gegebenen Geometrie und Belastungssituation eine möglichst effiziente gewickelte Bewehrungsführung gefunden werden kann.

This thesis delves into the promising potential of non-metallic reinforcements in construction asa substantive adjunct to traditional reinforced concrete structures. High-performance fibers, enveloped within a polymeric matrix, furnish notable tensile strength and corrosion resistance. The integration of such high-performance materials holds the prospect of transitioning construction from monolithic components characterized by extensive resource consumption to streamlined elements that effectively trace the flow of forces. Particularly within the purview of corrosion resistance, non-metallic reinforcements present considerable promise for fostering a material efficient,intricately detailed design paradigm, as exemplified by historical edifices. Embedded within comprehensive construction paradigms that meticulously consider resource allocation and lifecycle costs, components featuring non-metallic reinforcement may emerge as increasinglypivotal, there by unleashing their full potential.The initial segment of this thesis examines the potential advantages of adopting a materialefficient approach in construction, elucidating both ecological and economic gains. Historical structures serve as exemplars to illustrate the historical methodology of handling intricate componentgeometries, considering the prevailing high material costs of the era, and underscore how non-metallic reinforcement could have averted ensuing damages. A comprehensive comparison of the fundamental materials and properties of non-metallic reinforcement is conducted,accentuating the expanded design flexibility for refurbishment and novel construction scenarios facilitated by its exceptional attributes. Diverse applications across construction contexts are showcased, providing an encompassing overview of the technical, design, and sustainability facetsof non-metallic reinforcement within the construction domain. The subsequent section of this thesis delves specifically into fiber-reinforced plastics (FRP) derived from basalt. A series of testsis executed to ascertain the tensile strength of diversely manufactured fiber-reinforced composites,shedding light on challenges arising from the anisotropy inherent in the material. Subsequent analysis and interpretation of the test outcomes for various products are presented. Additionally,an innovative reinforcement application method is assessed through the utilization of two slenderbox girders. Notably, this method involves the application of reinforcement strands in a winding configuration, theoretically enabling the realization of fully automated concrete structures with intricategeometries. The practical application potential is demonstrated through a tangible project.This thesis illustrates the potential of employing automated and robot-assisted production techniques for the development of efficient and tailored reinforcement guidance across diverseapplications, particularly through wound reinforcement application. The early applications ofthe scrutinized winding technology, currently in the planning stage, indicate the expeditious implementation of novel production techniques in practice, fostering expectations for additional areas of application. Subsequent research endeavors might involve a more intricate examination of the impact of winding guidance on the load-bearing behavior of various components, or the exploration of optimal wound reinforcement guidance strategies based on specific geometries andload scenarios.