Experimentelle Untersuchungen an carbonbewehrten ultrahochfesten Betonträgern mit integrierten Stahlimplantaten

Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojektes Building with TRUHPC des Institutes für Tragkonstruktionen- Forschungsbereich Stahlbetonbau- und Massivbau der TU-Wien wurden im Zuge dieser Diplomarbeit experimentelle Untersuchungen an Trägern aus ultrahochfesten Beton (eng. UHPC- Ultra High Performance Concrete) mit Bewehrungen aus carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) und integrierten Stahlimplantaten durchgeführt. Durch die Kombination aus Hochleistungswerkstoffen und ihrer werkstoffgerechten Anwendung können Bauteile viel dünnwandiger und ressourcenschonender dimensioniert werden. Auftretende punktuelle Spannungskonzentrationen in dünnwandigen Bauteilen erfordern geeignete Füge- und Verbindungstechniken. Ein integriertes Stahlimplantat ist imstande diese Eigenschaften durch die gezielte Einleitung der Spannungen aus dem UHPC ins Stahlimplantat zu gewährleisten. Dabei werden die Druckspannungen aus dem UHPC über eine Verzahnung am Stahlimplantat in dieses eingeleitet. In den experimentellen Untersuchungen wurden 15 Versuchsträger mit einer Länge von 2m, einer Höhe von 20 cm und einer Breite von 3 cm, in fünf verschiedenen Konfigurationen bis zum Bruch belastet. Die fünf Konfigurationen umfassen Kombinationen aus drei verschiedenen Stahlimplantattypen und drei verschiedenen textilen Bewehrungselementen. Jeder Versuchsträger setzt sich aus einem Stahlimplantat, einem CFK-Stab (8mm Durchmesser), einem u-förmigen CFK-Textil und dem UHPC zusammen. Die Bewehrungszugkraft des CFK-Stabes wird je nach Stahlimplantattyp auf verschiedene Art und Weise im Stahlimplantat verankert. Bei zwei Stahlimplantattypen erfolgt die Bewehrungszugkraftverankerung zwischen dem CFK-Stab und dem Stahlimplantat durch die Verbundwirkung des UHPC. Bei einem weiteren Stahlimplantattyp wird die Bewehrungszugkraft durch das Einkleben des CFK-Stabes in eine, am Stahlimplantat angeschweißte Einsteckhülse verankert. An den Versuchsträgern wurden während der experimentellen Untersuchung die Lastaufbringungskraft, die Durchbiegung und die Rissbreiten gemessen. In den numerischen Berechnungen wurden das Tragverhalten und die Spannungsverteilungen mehrerer Konfigurationen unter der Variation der Verankerung und unter der Variation der Lage des Gelenkes untersucht.

As part of the research project Building with TRUHPC, performed at the Institute for Structural Engineering at the TU Wien; and as the main topic of this master thesis, experimental investigations have been undertaken on carbon reinforced ultra high performance concrete (UHPC) specimens with integrated steel implants. Due to the combination of high performance materials and their material-specific application, it is possible to produce thin-walled and resource saving building elements. The point stress concentrations on thin-walled building elements require appropriate joining techniques. An integrated steel implant can enhance stability by allocating the stresses of the UHPC within the steel implant. Therefore, the toothed strip is introduced with the aim of transferring the compressive stresses of the UHPC to the steel implant. In the investigation, 15 specimens each with a length of 2m; a height of 20 cm, and a width of 3 cm were loaded in 5 different configurations until fracture. The 5 configurations comprised of combinations of 3 different carbon fibre reinforced polymer (CFRP) textiles and 3 different implant types. Each specimen consisted of an implant; a CFRP rod (8mm diameter), a U-shaped CFRP textile, and the UHPC. The implant types differed in their anchoring with the CFRP rod. The reinforcement tensile force of the CFRP rod, especially for two types of implant, is anchored by the bonding between the implants and the UHPC. On a third type, the tensile force of the CFRP rod is glued into the implant. The applied force; the deflection, and the crack widths were measured within the experiment. The load bearing behaviour and the stress distributions of several configurations were investigated in the numerical calculations, by varying the anchoring, and the position of the joint.