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Analysis and design of concrete beams with pre-tensioned CFRP reinforcement = Analyse und Bemessung von Betonbalken mit vorgespannter CFK-Bewehrung

Kueres, Sophia^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sophia Kueres

Ausgabekorrigierte Auflage

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Korrigierte Auflage mit Ergänzungen der Bildunterschriften. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hegger, Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Kollegger, Johann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07557
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794308/files/794308.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFRP (frei) ; analysis (frei) ; design (frei) ; new materials (frei) ; pre-tensioning (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Bewehrungen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) weisen eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften, wurde in den letzten 30 Jahren der Einsatz von FVK-Bewehrung in Betonbauteilen als eine mögliche Lösung für langlebige und nachhaltige Konstruktionen eingehend erforscht und etabliert. Insbesondere Spannglieder aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) bieten ein großes Potential für den Einsatz als Spannbewehrung aufgrund der höheren Steifigkeit und Zugfestigkeit sowie einer besseren Dauerhaftigkeit im Vergleich zu Bewehrungen aus Glas- oder Aramidfasern. CFK-Spannglieder wurden bereits erfolgreich in vielen Brückenbauprojekten in den USA und Kanada eingesetzt, dennoch ist die Verwendung von CFK-Spannbewehrung im Brückenbau bis heute kein Standard. Die Hauptgründe für den bislang begrenzten Einsatz sind fehlende standardisierte Materialkennwerte sowie konsistente und anerkannte Bemessungsrichtlinien. Um eine flächendeckende und praktikable Anwendung von CFK-Spanngliedern zu ermöglichen, werden verständliche Bemessungsmethoden, vergleichbar mit denen für Spannbetonbauteile mit Stahlspanngliedern, benötigt. Diese Bemessungsrichtlinien müssen gewisse Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen, um die Sicherheit der Konstruktionen zu garantieren. In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Spannbetonbalken mit CFK-Spanngliedern im Grenzzustand der Tragfähigkeit daher detailliert analysiert und basierend auf den Ergebnissen geeignete Bemessungskonzepte entwickelt. Die Spannkrafteinleitung und die Verankerung der Spannglieder sind wichtige Aspekte bei der Bemessung von vorgespannten Betonbauteilen. Basierend auf experimentellen Untersuchungen und Ergebnissen aus der Literatur werden Konstruktionsregeln definiert um Spaltrisse zu vermeiden und eine ungestörte Krafteinleitung sicherzustellen. Weiterhin wird ein theoretisches Modell zur Bestimmung der Übertragungs- und der Verankerungslänge von CFK-Spanngliedern hergeleitet und anschließend anhand von probabilistischer Kalibrierung ein Bemessungsmodell entwickelt. Die Biegetragfähigkeit ist ein weiterer Hauptaspekt bei der Bemessung von Betonbalken mit CFK-Vorspannung. Basierend auf dem Konzept des ausgeglichenen Bewehrungsgrades wird in Übereinstimmung mit dem Eurocode 2 ein Modell zur Ermittlung des Biegewiderstands hergeleitet. Um ein geeignetes Bemessungsmodell zu entwickeln wird eine Zuverlässigkeitsanalyse mittels stochastischer Simulationen durchgeführt und der maßgebende Teilsicherheitsbeiwert für die CFK-Spannglieder abgeleitet. Um sprödes Querkraftversagen zu vermeiden, muss die Querkrafttragfähigkeit von FVK-bewehrten Betonbalken im Grenzzustand der Tragfähigkeit nachgewiesen werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und theoretische Untersuchungen durchgeführt, um ein Querkraftbemessungsmodell für vorgespannte und nicht vorgespannte Balken mit FVK-Querkraftbewehrung herzuleiten. Zu diesem Zweck wird ein Fachwerkmodell mit variablem Druckstrebenwinkel basierend auf einem Spannungsfeldmodell entwickelt.

Fiber reinforced polymer (FRP) reinforcements combine high strength with low weight and have a high corrosion resistance. Due to these beneficial characteristics, the use of FRP reinforcement in concrete structures has been established and investigated over the last 30 years as a suitable solution for sustainable and long-lasting concrete constructions. In particular, carbon fiber reinforced polymer (CFRP) tendons have a high potential to be applied as prestressing reinforcement due to their higher stiffness and tensile strength as well as better durability compared to reinforcements using glass or aramid fibers. CFRP tendons have been successfully used in many bridge projects in the United States and Canada. Nevertheless, the application of CFRP prestressing tendons in bridge design is not common. The main reasons for the limited implementation of this technology are the lack of standardized material properties as well as consistent and approved design guidelines. To enable a widespread and feasible application of CFRP tendons, comprehensive design methods, comparable to those for steel prestressed concrete structures, are necessary. Furthermore, the design guidelines have to comply with reliability requirements to guarantee the safety of the structures. In the present thesis, the behavior of prestressed concrete beams with CFRP tendons at the ultimate limit state is analyzed in detail. Based on the results, suitable design methods are developed. The transfer of the prestressing force and the tendon anchorage are important design aspects for the construction of pre-tensioned concrete structures. Based on experimental investigations and results from literature, detailing provisions are defined to avoid splitting cracks in the transfer zone and to secure an undisturbed transfer of the prestressing force. Moreover, a theoretical model is derived to determine both the transfer and development length of CFRP tendons depending on their bond characteristics. Using probabilistic calibration, a design model meeting the reliability requirements of Eurocode 0 is proposed. Besides the bond behavior, the flexural strength is a main aspect of the design of beams prestressed with CFRP tendons. Based on the concept of a balanced reinforcement ratio, a flexural resistance model is derived in compliance with Eurocode 2. To develop an appropriate design model, a reliability analysis is performed using stochastic simulations to determine the governing safety factor for the CFRP tendons. For this purpose, two footbridge concepts with prestressed CFRP reinforcement are investigated. To avoid brittle shear failures, the shear strength of reinforced concrete beams has to be verified at ultimate limit state. To extend the database of shear tests on prestressed beams with FRP reinforcement, beams with textile shear reinforcement and prestressed CFRP tendons are tested. Furthermore, theoretical investigations are conducted to derive a shear design model for prestressed and non-prestressed beams with FRP shear reinforcement. For this purpose, a truss model with variable strut inclination is developed. The angle of the compression strut is derived based on a compression field model originally developed for steel reinforced beams.

OpenAccess:
PDF

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-2020-07557
Datensatz-ID: 794308

Beteiligte Länder
Germany