Zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in Bauteilen aus ultrahochfestem Beton

Abstract

Ultrahochfeste Betone (UHPC) bieten Vorteile, die zu neuen Anwendungsmöglichkeiten im Konstruktiven Ingenieurbau geführt haben. Bei herkömmlicher Betonstahlbewehrung mit vergleichsweise niedrigen Festigkeiten und deren Korrosionsanfälligkeit können jedoch die Vorteile von UHPC nicht in gleichem Maße ausgenutzt werden. Hier bieten sich CFK-Bewehrungsstäbe auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit an. Hochleistungsbetone stellen jedoch besondere Anforderungen an das Bewehrungsmaterial, mit entsprechenden Auswirkungen auf das Verbundverhalten. Für FVK-Bewehrung liegen hierzu zahlreiche Untersuchungen in Normalbeton vor, in UHPC beschränken sich die Untersuchungen jedoch hauptsächlich auf Betonstahlbewehrung. Die vorliegende Arbeit setzt hier mit Untersuchungen zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in Bauteilen aus UHPC an. Das Grundproblem von FVK-Bewehrungsstäben liegt im Versagen der Stabprofilierung bei bereits vergleichsweise niedrigen Verbundspannungen. Zwar ähneln die Verbundspannungs-Schlupf-Verläufe den für anderen FVK-Bewehrungsstäben sowie Betonstahl bekannten Verläufen, spätestens bei Erreichen der Höchstlast ändert sich das Verbundverhalten jedoch grundlegend. Das Tragverhalten basiert in diesem Bereich im Wesentlichen auf einer äußeren Reibungskomponente zwischen Beton und Stab sowie einer inneren Reibungskomponente zwischen Stabrippe und Stabkern. Für einen wirksamen Verbund ist jedoch das Abscheren der Betonkonsole und damit einhergehende Rissbildung im Beton erforderlich. Mittels Pull-out-Versuchen von CFK-Bewehrungsstäben mit maschinell eingebrachten Rippungen in UHPC-Bauteilen wurden Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen ermittelt und in Verbindung mit den Versagensmechanismen grundlegende Erkenntnisse zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben abgeleitet. Unter Verwendung der Versuchsergebnisse wurde eine Übertragbarkeit vorhandener, für Betonstahl- und FVK-Bewehrung in Normalbeton gültiger, analytischer Modelle auf CFK-Bewehrung in UHPC überprüft. In numerischen Untersuchungen mit dem FE-Programm MASA wurden Versuche mittels zweier Modellierungsvarianten nachgerechnet und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit bewertet. Aus den experimentellen und analytischen Untersuchungen wurden Profilgeometrien abgeleitet, mit denen theoretisch eine zum Betonstahl vergleichbare Wirksamkeit erzielt werden kann. Darauf aufbauend wurde der Einfluss der Stabprofilierung auf das globale Verbundverhalten untersucht. Dabei wurde besonders der Einfluss der theoretisch erforderlichen Profilgeometrieverhältnisse betrachtet. Es hat sich gezeigt, dass für FVK-Bewehrung in Normalbeton gültige analytische Modelle und Verbundgesetze auch auf CFK-Bewehrung in UHPC übertragbar sind. Globale, aus Versuchen gewonnene Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen, können mit ausreichender Genauigkeit zur Berechnung lokaler Verbundspannungs-Schlupf-Verläufe verwendet werden. Zudem ist die Verbundwirkung über vorgegebene Parameter der Stabprofilierung steuerbar. Zur Sicherstellung eines wirksamen Verbundes mit Rissbildung im Beton ist jedoch eine Stabprofilierung erforderlich, die sich signifikant von Betonstahlbewehrung unterscheidet. Es werden sehr kleine Rippentiefen und kurze Betonrippen sowie große Verhältnisse zwischen Stabrippen- und Betonrippenbreiten benötigt. Bei den analytischen Betrachtungen ergaben sich jedoch theoretische Stabrippengesamtbreiten, die das Maß der Verbundlänge im Versuchsprobekörper z. T. deutlich überschreiten. Eine experimentelle Überprüfung ist daher nur mit alternativen Versuchskörpern möglich. Anhand eines Anwendungsbeispiels wurde aufgezeigt, dass die Einbettungslängen, die zur vollständigen Krafteinleitung in den Beton erforderlich sind, meist die Stabrippenbreiten unterschreiten und daher in diesen Fällen ein maßgebendes Anforderungskriterium für das Stabprofil darstellen. Insgesamt hat sich gezeigt, dass eine alleinige Optimierung des Rippenprofils nicht ausreichend, sondern eine Kombination aus Profil- und Materialoptimierung erforderlich ist. Die vorliegende Arbeit liefert vielversprechende Erkenntnisse zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in UHPC und bietet Ansätze für weiterführende Untersuchungen.

Ultrahigh performance concrete (UHPC) offers many advantages and enables new possibilities in the field of construction engineering. However with conventional steel reinforcement the advantages cannot be taken to the same extent due to its comparable low strength and susceptibility to corrosion. The mechanical properties and corrosion resistance of CFRP-reinforcing bars could make them a suitable alternative reinforcing element. Due to the different bond characteristics of the CFRP-reinforcing bar, special requirements need to be taken into account when applied as a reinforcing element in high performance concrete. The application of FRP-reinforcing bars in normal strength concrete has been researched and investigated to a great extent. However, investigations regarding UHPC in this field are mainly limited to steel bars as reinforcement element. The presented thesis proceeds with investigations of CFRP-reinforcing bars in elements made of UHPC. The bond stress-slip curves are similar to the known curves of FRP-reinforcing bars in normal strength concrete and steel-reinforcing bars. The differences can be found in the fundamental bond behavior at ultimate load. As a result of the specific properties of FRP-reinforcing bars arises a basic problem which can lead to a failure of the bar ribs partially at a low bond strength. On the one side there is outer friction between concrete and rebar and on the other side inner friction between bar ribs and bar core. However, the shearing of the concrete panel and consequent cracking of the concrete is required for an effective bond behavior. Bond stress-slip curves were determined by pull-out-tests of CFRP-rebars in UHPC elements. The surface properties of the CFRP-bars were modified with machined revolved ribs. Basic findings of the bond behavior of CFRP-reinforcing bars were derived in combination with failure mechanism. Analytical models valid for steel and FRP-reinforcement in normal strength concrete were used to verify the applicability to CFRP-reinforcement in UHPC. Some tests were recalculated by numerical investigations with the finite element software MASA. Two different models were used and the applicability was evaluated. As a result of the experimental and analytical investigations profile geometries were determined and it could be found that similar effects to steel reinforcement are theoretically possible. Afterwards the influence of the bar surface to global bond behavior was investigated which also included evaluations dealing with the influence of the required profile geometry ratio. As a result it could be found that the analytical models and bond models of FRP-reinforcing bars valid in normal strength concrete are also valid to CFRP-reinforcing bars in UHPC elements. The use of global bond stress-slip curves obtained by experimental tests is also admissible for local bond stress-slips curves with sufficient accuracy. Composite effects are controllable and depend on the parameters of the bar profiles. Surface profiles which are different to steel reinforcing bars are required to ensure effective bond with cracking of concrete. Not only small rib depths with short concrete ribs are necessary but also a large width ratio between the reinforcing bars and concrete ribs. However, in a number of the theoretical investigations the total width of the bar ribs significantly exceeded the bond length in the test specimen, therefore the use of modified test specimens is necessary for an experimental verification. By means of an application example it was shown that for complete force transmission to concrete the required development length is usually smaller than the width of bar ribs. As a result the embedment length is a criterion to determine required bar profiles. Basically not only an optimization of the bar ribs is required but also the material properties. The investigation has shown that there is promising evidence in favour of the bond behavior of CFRP reinforcing bars in elements made of UHPC. It also highlights a number of different aspects that can be used for further investigations on this topic.