Untersuchungen zum Vorspannen filigraner UHPC-Bauteile mit CFK-Stäben

Abstract

Inspiriert von dem Gedanken, schlanke und dauerhafte Konstruktionen zu planen, wurde am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien, das Forschungsprojekt textilbewehrter Ultrahochleistungsbeton (englisch: Textile Reinforced Ultra-High Performance Concrete, kurz: TRUHPC) ins Leben gerufen. Dabei soll die gemeinsame Anwendbarkeit von Ultra-High Performance Concrete (UHPC) und textilen Bewehrungen im Verbund untersucht werden. Vorgesehen ist es, anhand einer Versuchsserie das Biegetragverhalten eines mit textilen Formbewehrungen bewehrten, und mit Faserverbundwerkstoff-Stäben vorgespannten UHPC Trägers zu untersuchen. Um diesen Biegeversuch im Maßstab 1:1 durchführen zu können, waren vorab Untersuchungen und Vorversuche notwendig. Ein Ziel der Arbeit war es, für die vorgespannten Träger ein Vorspannungskonzept zu entwickeln. Dabei wurden Spannkraftverluste berechnet und Spannungsnachweise an kritischen Trägerstellen durchgeführt. Ein weiteres Ziel war es, das Einleiten von Vorspannkräften in filigrane Querschnitte zu untersuchen. Dazu wurden vorbereitende Überlegungen zu Lasteinleitungsversuchen im Rahmen von Pull-Out Versuchen und Verankerungsversuchen durchgeführt. In der vorliegenden Diplomarbeit werden zunächst die Hochleistungsmaterialien UHPC und textile Bewehrungen im Einzelnen beschrieben. Anschließend wird die Kombination dieser beiden Werkstoffe in Form des Verbundwerkstoffes TRUHPC vorgestellt. Im darauffolgenden Kapitel der Arbeit wird das Vorspannungskonzept für die TRUHPC-Träger der geplanten Biegeversuche vorgestellt. Hierbei ist vor allem die schnelle Festigkeitsentwicklung von UHPC und der geringe Relaxationsverlust von CFK-Stäben von Vorteil. Danach folgt der experimentelle Teil der Arbeit, welcher in zwei Teilbereiche gegliedert ist. Zunächst wurde mit Pull-Out Versuchen das Verbundverhalten zwischen Faserverbundwerkstoff-Stäben und UHPC anhand von Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen (VSB) charakterisiert. Abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Stäbe wirken dabei verschiedene Verbundmechanismen. Der zweite Teil der experimentellen Untersuchungen behandelt Verankerungsversuche. Hierbei lag die Motivation, aufwändige Verankerungskonstruktionen für CFK-Stäbe durch UHPC-Vergussverankerung zu ersetzen.

Inspired by the idea to design slender and durable structures, the Institute of Structural Engineering at TU Wien launched the research project Textile Reinforced Ultra-High Performance Concrete (TRUHPC). The aim of the research project is to investigate the application of Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Reinforcements for Ultra-High Performance Concrete (UHPC) structures. The intention is to carry out a bending test of a FRP reinforced and prestressed UHPC girder on a field test. Before implementing these bending tests preliminary investigations and experiments were necessary which are the main subject of this thesis. Consequently, one aim of this master thesis was to develop a prestressing concept for the prestressed girders. Thereby prestressing losses of the tendons and concrete stresses at cross sections were calculated. Another aim of the thesis was to evaluate the transmission of pretensioning forces into filigree concrete components. For the preparation of tests on the transmission length, pullout tests and anchorage tests were carried out in advance. The first part of this thesis gives a brief overview of the material properties of UHPC and FRP, which is followed by a presentation of the composite material TRUHPC as a combination of these two materials. The second part of the thesis gives an overview of the prestressing concept of the planned TRUHPC-girders. Especially the fast hardening of the UHPC and the low relaxation losses of CFRP-bars are advantageous for prestressed TRUHPC-girders. The third part of the thesis demonstrates the experimental studies which contains two parts. Firstly, pullout tests were carried out to evaluate the bond stress-slip relationship between the FRP and the UHPC. Depending on the surface of the bars the bond behaviour differs. The second part of the experimental studies deals with anchorage tests. The motivation of these tests was to use UHPC anchorages for the CFRP-bars instead of complex anchorage systems.