title: Zum werkstoffgerechten Verbinden von carbonbewehrten Betonfertigteilen
title: Material-appropriate joining for CFRP-reinforced prefabricated concrete elements
titleType: Subtitle
Creators: name: Richter, Arno
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::624 Ingenieurbau
subject: Bauteilverbindung
subject: CFK-Bewehrung
subject: Betonfertigteile
subject: component connection
subject: CFRP reinforcement
subject: precast concrete elements

description: CFK-Bewehrungen eignen sich aufgrund ihrer nicht korrosiven Eigenschaft und ihrer guten Festigkeitswerte für sehr schlanker Betonbauteile. Die Herstellung solcher Bauteile kann in Form von Fertigteilen erfolgen, wodurch Arbeits- und Wartezeiten auf der Baustelle entfallen, die bei der Ortbetonbauweise durch das Schalen, Bewehren, Betonieren und Aushärten entstehen können. Diese vorgefertigten Bauteile müssen in einem späteren Arbeitsschritt auf der Baustelle zu einem Bauwerk zusammengesetzt werden. Essentiell beim Konstruieren mit solchen Betonfertigteilen sind einfache und baupraktische Verbindungen, mit denen die Bauwerke schnell und kostengünstig errichtet werden können. Eine Literaturstudie belegt, dass nur wenige Untersuchungen zum Verbinden von CFK-bewehrten Betonfertigteilen durchgeführt wurden. Mit der vorliegenden Arbeit wird das Ziel verfolgt, eine einfache, werkstoffgerechte und baupraktische Verbindung für carbonbewehrte Betonfertigteile zu entwickeln. Es soll die CFK-Bewehrung von Fertigteilen kraftschlüssig miteinander verbunden werden, um Zugkräfte zwischen Bauteilen übertragen zu können. Zu Beginn der Untersuchungen wird die Verbindung auf Bewehrungseben, unabhängig von späteren Fertigteilen, betrachtet. Es wird eine Verbindung entwickelt, bei der die Bauteilbewehrung in Form von CFK-Stäben mittels eines Expansivmörtels in einer Edelstahlhülse endverankert wird. Die Edelstahlhülse wiederum besitzt ein Innengewinde, das als Kopplungspunkt zwischen Betonfertigteilen dient. Die Fertigteile werden somit über eine einfache Verschraubung verbunden. Über experimentelle und numerische Untersuchungen wird die Länge und des Außen- und Innenradius der Edelstahlhülse zu lH = 11,0 cm, ra = 28,0 mm und ri = 20,0 mm ermittelt. Experimentelle Untersuchungen zur Umfangsdehnungsänderung, hervorgerufen durch die Mörtelexpansion, führen zur Bestimmung des Innendrucks von pi,m = 100,1 MPa. Durch die anschließenden Bauteilversuche wird die Anwendung der Verbindung in Fertigteilen untersucht. Es werden Fertigteile mit einer stabförmigen CFK-Bewehrung in Form von Balken und einer flächigen CFK-Bewehrung in Form von Platten auf ihr Trag- und Verformungsverhalten untersucht. Die Traglasten beider Bauteilgeometrien werden, unter der Annahme eines Biegezugversagens der Bewehrung, durch analytische und numerische Berechnungen zutreffend bestimmt. Die Verformungen werden anhand der Bauteilkrümmung und der Durchbiegung über numerische Integrationsverfahren unter Verwendung einer mittleren Steifigkeit der Verbindung wirklichkeitsnah beschrieben. Die Untersuchungen zeigen, dass die entwickelte Verbindung zum Übertragen von Zugkräften zwischen Betonfertigteilen mit einer CFK-Bewehrung Anwendung finden kann. Das Verbinden der Bauteile erfolgt über eine Gewindestange mit einem M20 Regelgewinde. Die Herstellung der Probekörper zeigt jedoch, dass durch die Gewindestange keine bauüblichen Toleranzen ausgeglichen werden. Die maximale Schlankheit der untersuchten Bauteile beträgt l/h = 35.
description: Due to their non-corrosive properties and good strength values, CFRP reinforcements are suitable for very slender concrete components. The production of such components can be done in the form of precast elements, eliminating the labor and waiting times that can arise during on-site concrete construction through formwork, reinforcement, pouring, and curing. These prefabricated components must be assembled into a structure on-site in a subsequent step. Simple and practical connections are essential when constructing with such precast concrete elements, allowing the structures to be erected quickly and cost-effectively. A literature review shows that only a few studies have been conducted on connecting CFRP-reinforced precast concrete elements. The aim of this study is to develop a simple, material-appropriate, and practical connection for carbon-reinforced precast concrete elements. The CFRP reinforcement of precast elements should be connected to each other in a force-fitting manner to be able to transfer tensile forces between components. At the beginning of the investigations, the connection is examined on the reinforcement level, independent of later precast elements. A connection is developed in which the component reinforcement in the form of CFRP bars is end-anchored in a stainless steel sleeve using an expansive mortar. The stainless steel sleeve, in turn, has an internal thread that serves as a coupling point between precast concrete elements. The connection of the components thus occurs via a simple screw connection. Experimental and numerical investigations determine the length and outer and inner radii of the stainless steel sleeve to be lH = 11.0 cm, ra = 28.0 mm, and ri = 20.0 mm. Experimental investigations into the circumferential expansion caused by the mortar expansion lead to the determination of the internal pressure of pi,m = 100.1 MPa. Subsequent component tests examine the application of the connection in precast elements. Precast elements with bar CFRP reinforcement in the form of beams and with grid CFRP reinforcement in the form of plates are investigated for their load-bearing and deformation behavior. The load-bearing capacities of both component geometries are accurately determined through analytical and numerical calculations, assuming a bending failure of the reinforcement. Deformations are described realistically using numerical integration methods based on component curvature and deflection, using an average stiffness of the connection. The investigations show that the developed connection can be used for transmitting tensile forces between precast concrete elements reinforced with CFRP. The components are connected using a threaded rod with an M20 standard thread. However, the production of test specimens shows that the threaded rod does not compensate for typical construction tolerances. The maximum slenderness of the examined components is l/h = 35.