Verstärken von Betonbauwerken mit CFK

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Konrad Zilch Zilch + Müller Ingenieure GmbH, München

2 Verstärkung heute wesentliche Bauaufgabe Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen in Deutschland für aufgeklebte Bewehrung: 1979: Stahllaschen 1985: CFK - Lamellen 1997: CF - Gelege 2001: eingeschlitzte CFK - Lamellen 2

3 Beispiel: Ergänzung fehlender Zugbewehrung durch CFK-Lamellen CFK-Lamelle: Hohe Zugfestigkeit Linear-elastisch bis zum Bruch Aufkleben der CFK-Lamelle Vorgefertigte CFK-Lamelle Epoxidharzklebstoff Vorbehandelte Betonoberfläche 3

4 Weitere Beispiele: CF-Gelege CFK-Lamellen Aufgeklebt Eingeschlitzt Stahllaschen 4

5 Bisherige Situation 2009 Nationale Zulassungen (Materialien, Bemessung und Ausführung) Zulassungen beziehen sich nicht auf europäische Normen Weiterentwicklung erforderlich Bezug auf europäische Bemessungsnormen Erkenntnisse aus zahlreichen Forschungsvorhaben Europäische Werkstoffnormen 5

6 Umsetzung geklebte Bewehrung immer mehr Regelbauweise allgemeingültige Richtlinie zweckmäßig weiterhin Zulassungen für spezielle Eigenschaften der Klebesysteme 6

7 Vorarbeit Sachstandbericht des : Verstärken von Betonbauteilen mit geklebter Bewehrung Veröffentlichung: Heft 591 Ziele: Sammlung und Beurteilung der vorhandenen Modelle und Untersuchungen zum Verstärken mit geklebter Bewehrung Ergebnisse: Datenbank mit circa 750 Bauteilversuchen und circa 600 Verbundversuchen Bewertung zahlreicher nationaler und internationaler Bemessungsmodelle und Vorschriften anhand der Datenbank 7

8 Vorarbeit Verbundvorhaben Forschungsinitiative Zukunft Bau Veröffentlichungen: Heft 592 / 593 / 594 Beteiligte: Federführung: ; Forschungseinrichtungen: TUM, IBMB Industrie: Alle Zulassungsinhaber und zwei Anwender Bauaufsicht: DIBt, VPI, DIN (Betreuungsgruppe) Ziele: Klärung der noch offenen Fragen zum Verbund, Ermüdung und zur Querkrafttragfähigkeit mit experimentellen und theoretischen Untersuchungen Ergebnisse: Neue Nachweiskonzepte und Modelle für die Verbundkraftübertragung, Ermüdung und zur Querkrafttragfähigkeit 8

9 Hintergrund - Materialeigenschaften Eigenschaften des Epoxidharzes Verhalten unter Kurzzeitbelastung bei Raumtemperatur: Zugfestigkeit: N/mm 2 Druckfestigkeit: N/mm 2 E- Modul: N/mm 2 Glasübergangstemperatur: circa 55 C (abhängig von Nachbehandlung) 9

10 Langzeitverhalten: Franke/Deckelmann: σ Longterm = f Temp f humidity f vibration f constant σ short term σ Longterm = 0,7 0,8 0,9 0,5 σ short term 0,25 σ short term aufgeklebte CFK- Lamellen Betonversagen bei normaler Festigkeit in Schlitze eingeklebt Klebstoffversagen ab C20/25 10

11 Hintergrund - Materialeigenschaften Faserverbundwerkstoffe 11

12 Hintergrund Verbundverhalten (Einzelriß) Bemessung eingeschlitzte CFK-Lamellen analog zum Betonstahl (Querschnittsbetrachtung) Für aufgeklebte CFK-Lamellen besondere NW Konzepte erforderlich (Systembetrachtung) 12

13 Richtlinie Vier Teile: Bemessung und Konstruktion Produkte und Systeme für das Verstärken (Produkte und Systeme bleiben jedoch zusätzlich in den Zulassungen und Produktnormen geregelt) Ausführung Ergänzende Regelungen zur Planung von Verstärkungsmaßnahmen 13

14 Erläuterungen Beispiele 14

15 Aufbau - Teil 1: Bemessung und Konstruktion Gliederung wie EN Ergänzung der notwendigen Regelung für die geklebte Bewehrung in allen Abschnitten der EN Regelungen für: Biegeverstärkungen Stützenverstärkung durch Umschnürung Querkraft Verstärkung lokale Verstärkung 15

16 Inhalt der Richtlinie 16

17 Inhalt der Richtlinie lokale Verstärkungen mechanische Endverankerung statische und ermüdungswirksame Belastung Stahlbeton- und Spannbeton vorgespannte Lamellen nicht behandelt (noch nicht Stand der allgemeinen Praxis) 17

18 Inhalt der Richtlinie Brandbeanspruchung nicht behandelt Spezielles Brandschutzsystem für Klebebewehrung oder Heißbemessung für innere Bewehrung gegebenenfalls mit Brandschutzsystem ohne geklebte Bewehrung CFK- Werkstoffe nehmen keine Druckkräfte auf 18

19 Bemessung GZT Biegeverstärkung Biegeverstärkung mit aufgeklebten Stahllaschen Biegeverstärkung mit in Schlitze verklebten CFK-Lamellen Biegeverstärkung mit aufgeklebten CFK-Lamellen und CFK- Gelegen Ermüdungsnachweis 19

20 Biegeverstärkung Gleichgewicht Zustand II Vordehnung des Stabstahls N RR = F cc + F LL + F sss + F sss M RR = F cc z z L + F LL z L + F sss z ss F s2d z s2 20

21 Versagensarten Biegeversagen: Versagen der Druckzone oder der Zugglieder 21

22 Versagensarten Verbundversagen 22

23 Verbundvergleich am Einzelriß 23

24 Endverankerungsversuch Anpressung um Verbundversagen im unteren Bereich zu gewährleisten Optische Verschiebungsmessung Video Versuch 24

25 Bilinearer Verbundansatz aus Endverankerungsversuch Neue Münchner Versuche Alle Deutschen Versuche τ L1 = 0,788 fcm fctm,surf τ L1 = 0, 644 fcm f ctm,surf s L0 = 0,2 mm s L0 = 0,2 mm 25

26 Bauteilverhalten Verbundkraftwiderstand der Endverankerung aufzunehmende Zugkraft aus Erhöhung der Einwirkung 26

27 Bauteilverhalten Verbundkraftwiderstand der Endverankerung Wirkliche Lamellenzugkraft aufzunehmende Zugkraft aus Erhöhung der Einwirkung 27

28 Bauteilverhalten Verbundkraftwiderstand der Endverankerung Wirkliche Lamellenzugkraft aufzunehmende Zugkraft aus Erhöhung der Einwirkung Zugkräfte müssen an Elementen zwischen den Rissen übertragen werden Zwischenrisselement (ZRE) 28

29 Hintergrund Bauteilversuche durch zu viele Parameter beeinflusst, deshalb: kleinteilige Versuche Versuchsauswertung mathematischmechanisches Modell Verifizierung durch Bauteilversuche 29

30 Idealisiertes Zwischenrisselement (ZRE) Video Versuch 30

31 Versuchsergebnisse am idealisierten ZRE 31

32 Schlussfolgerung: Reibverbund am ZRE 32

33 Vergleich der Lamellendehnung zweier Bauteilversuche mit unterschiedlichen Querschnitten 33

34 Vergleich der erreichten Lamellendehnung in Abhängigkeit der Krümmung bei Bauteilversuchen (-Heft 591) Je größer die Krümmung, desto größer die erreichten Lamellendehnungen 34

35 Bauteilkrümmung Rückstellkraft der Lamelle Umlenkkräfte am Zwischenrisselement aus Krümmung entsteht ein selbstinduzierter Anpressdruck Erhöhung des Verbundwiderstandes 35

36 Versuche ZRE am Bauteil, Aufbau: 36

37 Versuche ZRE am Bauteil, Instrumentierung: 37

38 Ergebnis der Versuche am Zwischenrisselement am Bauteil Dünnere Bauteile verhalten sich günstiger 38

39 Beschreibung des Effektes durch die Modifikation des Verbundansatzes aus den Ergebnissen der Versuche 39

40 Vereinfachung konstante Änderung 40

41 Bemessung GZT Querkraft und Bügelumschließung Querkrafttragfähigkeit biegeverstärkter Tragwerke Querkraftverstärkung Verbundkrafterhöhung durch Bügelumschließung 41

42 CF-Gelege (wet lay-up) in Kürze 1. Zulassung mit Bezug auf Richtlinie 42

43 Überprüfung mit Bauteilversuchen Vergleich des RiLi Konzept (char. Werte) aus: Biegenachweis Endverankerungsnachweis Nachweis am Zwischenrisselement Nachweis gegen Versatzbruch Querkraftnachweis Mit Datenbank für CFK-Lamellen aus Sachstandbericht 43

44 Bemessung GZT Stützenverstärkung durch Umschnürung 44

45 Nicht vorwiegend ruhende Belastung Ermüdungsnachweis des Verbundes Stufe 1: (vereinfacht) Begrenzung der Lamellenkraftdifferenz Stufe 2: Schwingbreitennachweis mit Goodman - Smith - Diagramm 45

46 Nicht vorwiegend ruhende Belastung Ermüdungsnachweis Beton, Betonstahl und eventueller Stahlverstärkung nach allgemeinen Regeln Ermüdungsnachweis für CFK - Lamelle nicht erforderlich 46

47 Vielen Dank den beteiligten Mitarbeitern und Diskussionspartnern für die Lösungsbeiträge! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen und Diskussion Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Konrad Zilch Zilch + Müller Ingenieure GmbH, München 47