Untersuchungen zum Tragverhalten CFK-verstärkter Stahlbetonbauteile

In Versuchen an Biegeträgern wurde ein Versagen beobachtet, das durch schlagartiges Ablösen der CFK-Lamellen von der Betonoberfläche begleitet wurde. Im Rahmen der Arbeit wird als Ursache ein Versagen der Betondruckzone identifiziert. Das Ablösen tritt stets dann auf, wenn die Tragkapazität der Betondruckzone erschöpft ist, bevor das Zugkraftpotential der CFK-Lamelle voll ausgenutzt werden kann.

Eine in den letzten Jahren vermehrt eingesetzte Methode zum statischen Verstärken von Bauteilen ist das nachträgliche Aufkleben kohlenstofffaserverstärkter Kunststofflamellen (CFK-Lamellen). In diesem Band wird nachgewiesen, dass das Verhalten sowohl schlaff als auch vorgespannt CFK-verstärkter Stahlbetonbauteile mit Hilfe nichtlinearer Berechnungsmethoden sehr gut simuliert werden kann. In mehreren Versuchen an Biegeträgern wurde ein Versagen beobachtet, das durch ein schlagartiges Ablösen der CFK-Lamellen von der Betonoberfläche begleitet wurde, welches mitten im geklebten Bereich begann. Im Rahmen dieser Arbeit wird als Ursache für diesen Versagenstyp ein Versagen der Betondruckzone identifiziert. Das Ablösen tritt stets dann auf, wenn die Tragkapazität der Betondruckzone erschöpft ist, bevor das Zugkraftpotential der CFK-Lamelle voll ausgenutzt werden kann. Zur Vermeidung dieses Versagenstyps ist daher stets eine ganzheitliche Betrachtung des Tragvermögens des Bauteils erforderlich.

Autorentext
Prof. Dr.-Ing. Kisten Pieplow lehrt Statik, Glasbau und Holzbau an der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin im Fachbereich 2 Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen.

Inhalt
VORWORT V
INHALTSVERZEICHNIS VII
NOMENKLATUR XI
1 EINLEITUNG
1.1 Ausgangssituation 1
1.2 Zielstellung 3
1.3 Vorgehensweise 5
1.4 Erkenntnisse der Arbeit 6
2 MATERIALVERHALTEN
2.1 Einführung 7
2.2 Materialverhalten faserverstärkter Werkstoffe 10
2.2.1 Phänomenologie 10
2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Beziehungen 10
2.2.3 Versagenshypothesen 14
2.3 Materialverhalten von Beton 16
2.3.1 Phänomenologie 16
2.3.2 Versagenshypothesen für Beton 18
2.3.3 Materialmodelle für Beton 22
2.3.3.1 Plastizitätsmodell 22
2.3.3.2 Nichtlineares Elastizitätsmodell 25
2.3.3.3 Berücksichtigung der Rissbildung 26
2.4 Materialverhalten von Stahl 27
2.4.1 Phänomenologie 27
2.4.2 Versagenshypothesen für Stahl 28
2.4.3 Materialmodelle für Stahl 30
3 INGENIEURMODELLE ZUM VERBUNDTRAGVERHALTEN
3.1 Ansätze zum Verbundtragverhalten geklebter Bewehrung 31
3.2 Verbundmodelle 35
3.3 Regelungen innerhalb bauaufsichtlicher Zulassungen 40
4 ANWENDUNG NICHTLINEARER BERECHNUNGSMETHODEN
4.1 Elemente 45
4.1.1 Elementtypen 45
4.1.2 Untersuchungen auf Elementebene 47
4.1.2.1 Einfluß der Netzteilung 47
4.1.2.2 Einfluß der Elementverzerrung 50
4.2 Materialmodellierung 54
4.2.1 Modellierung des Betons 54
4.2.1.1 Plastizitätsmodell 54
4.2.1.2 Nichtlineares Elastizitätsmodell 57
4.2.1.3 Untersuchungen auf Materialpunktebene 59
4.2.2 Modellierung der Stahlbewehrung 67
4.2.3 Modellierung der CFK-Lamellen 67
4.2.4 Modellierung des Verbunds 68
4.3 Überprüfung auf Systemebene 70
4.3.1 Berechnungsalgorithmen 70
4.3.2 Betonbalken mit Kerbe 73
4.3.3 Zweifeldträger aus Stahlbeton 78
4.4 Bewertung der Ergebnisse 81
5 VERSTÄRKEN VON BETONBAUTEILEN MIT SCHLAFF GEKLEBTEN LAMELLEN
5.1 Verbunduntersuchungen an Doppellaschenkörpern 83
5.2 Versuche an CFK-verstärkten Stahlbetonbalken 88
5.2.1 Versuchsgruppe B 90
5.2.2 Versuchsgruppe GB 97
5.2.3 Zwischenbilanz 99
5.3 Versuche an CFK-verstärkten Plattenstreifen 101
5.3.1 Plattenstreifen PS 1 102
5.3.2 Plattenstreifen PS 2 104
5.3.3 Plattenstreifen PS 3 106
5.3.4 Zwischenbilanz 108
5.4 Ursachen für das Ablösen von Lamellen 109
5.5 Bewertung der Ergebnisse 117
6 BERÜCKSICHTIGUNG VORGESPANNTER LAMELLEN
6.1 Vor- und Nachteile der Methode 119
6.2 Untersuchung vorgespannter Versuchsträger 120
6.2.1 Untersuchungen am Rechteckbalken 121
6.2.2 Untersuchungen am Plattenbalken 130
6.2.3 Zwischenbilanz 132
6.3 Ausführung der Lamellenendverankerung 133
6.4 Bewertung der Ergebnisse 136
7 EINFLUß DER LASCHENBÜGEL
7.1 Ausbildung der Bügel 139
7.2 Ausgangsdaten für unverbügelte Stahlbetonträger 140
7.3 Verbügelung des querkraftbeanspruchten Bereiches 142
7.3.1 Bügel aus Stahl 142
7.3.2 Bügel aus CFK 144
7.4 Verbügelung des gesamten Trägers 145
7.5 Verbügelung des querkraftfreien Bereichs 146
7.6 Bewertung der Ergebnisse 147
8 ELIMINATION DES ABLÖSEMECHANISMUS
8.1 Verstärkung der Druckzone 149
8.2 Beeinflussung des Versagensmechanismus 151
8.3 Bewertung der Ergebnisse 156
9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
9.1 Zusammenfassung 161
9.2 Ausblick 163
LITERATURVERZEICHNIS 165
ANHANG A: BETONMODELLE 171
ANHANG B: ZWEIAXIALE BEANSPRUCHUNG VON BETON 173
ANHANG C: DREIDIMENSIONALE VERGLEICHSRECHNUNGEN
C.1 Verstärkter Stahlbetonträger ohne Laschenbügel 177
C.2 Verstärkter Stahlbetonträger mit Laschenbügeln 180
C.2.1 Verbügelung des querkraftbeanspruchten Bereiches 180
C.2.2 Verbügelung des gesamten Trägers 184
C.2.3 Verbügelung des mittleren Trägerbereichs 186