A platform for research: civil engineering, architecture and urbanism
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Vorgespannter Carbonbeton im Brückenbau.
concept and design
Beitrag zum werkstoffgerechten Entwerfen und Bemessen
Bewehrungen und Spannglieder aus Carbon (= CFK, kohlefaserverstärkter Kunststoff) eignen sich sehr gut für Betonbrücken, da sie nicht korrodieren, nicht ermüden, sehr zugfest und trotzdem leicht sind. Mit Carbonspanngliedern vorgespannte Carbonbetonbrücken werden seit über 30 Jahren gebaut, haben sich bisher aber noch nicht durchsetzen können. Neben dem hohen Materialpreis des Carbons liegt ein wesentlicher Grund in dem wenig werkstoffgerechten Umgang mit dem Material, wodurch sein Potential nicht voll ausgeschöpft wird. Althergebrachte Denkweisen aus dem Stahlspann- und Stahlbeton werden teilweise übernommen und nicht überprüft. Die vorliegende Arbeit zeigt daher Wege auf, wie mit vorgespanntem Carbonbeton im Brückenbau werkstoffgerecht entworfen und bemessen werden kann. Hierfür wird zunächst das bestehende Wissen mit dem Ziel aufbereitet, daraus Erkenntnisse für das werkstoffgerechte Entwerfen und Bemessen zu generieren. Im Zuge experimenteller Untersuchungen an Biegeträgern werden Begriffe wie Versagensankündigung, Duktilität und Robustheit in den Kontext eingeordnet. Anhand relevanter Literaturquellen werden die wesentlichen Bemessungsregeln für biegebeanspruchte Querschnitte diskutiert und deren Auswirkung auf die Bemessungsergebnisse (optimaler Vorspanngrad, Wirtschaftlichkeit) mithilfe einer Parameterstudie sichtbar gemacht. Anhand eigens entwickelter Beispielentwürfe werden Aussagen zum werkstoffgerechten Entwerfen hergeleitet. Eine zentrale Erkenntnis für die Bemessung ist der in der Arbeit begründete Wegfall des Dekompressionsnachweises. Die Vorspannung ist somit frei wählbar und sollte so hoch sein, dass durch sie je nach Vorspannart 50 bis 90 % der ständigen Lasten überdrückt werden. Es wird weiter festgestellt, dass im Unterschied zur Stahlvorspannung bei Carbon die Vorspannung ohne Verbund wirtschaftlicher ist als jene mit nachträglichem Verbund. Weiterhin wird die Eignung von Spanngliedern mit Carbonlamellen demonstriert, die aufgrund ihrer Form werkstoffgerecht über Umlenkung verankerbar sind und zudem effektiv unterhalb des Betonquerschnittes zur Maximierung des Hebelarms angeordnet werden können. Zugelemente aus Carbon sind teuer und sollten daher nur in Brückenbereichen eingesetzt werden, wo sie den größten Nutzen bringen. Die übrigen Bereiche können konventionell mit Stahl bewehrt werden. Solch eine Carbon(spann)beton-Stahlbeton-Verbundbauweise (CSV-Bauweise) führt zu wirtschaftlichen und nachhaltigen Brücken, da alle Materialien werkstoffgerecht eingesetzt werden, Investitionskosten somit moderat bleiben und durch die erhöhte Dauerhaftigkeit die Belastungen für Bauherren, Gesellschaft und Umwelt während der Nutzungszeit sinken. Die gewonnenen Erkenntnisse mündeten in der Herstellung der weltweit ersten, 20 m überspannenden CSV-Versuchsbrücke, mit der die Praktikabilität der neuen Bauweise gezeigt wurde. Die Ergebnisse der Arbeit sollen zur Erstellung von Bemessungsrichtlinien und -normen beitragen, Ideenansätze für entwerfende Ingenieure liefern und das Bewusstsein für einen werkstoffgerechten Umgang mit Carbonzugelementen in Betonbrücken erweitern.
Vorgespannter Carbonbeton im Brückenbau.
concept and design
Beitrag zum werkstoffgerechten Entwerfen und Bemessen
Bewehrungen und Spannglieder aus Carbon (= CFK, kohlefaserverstärkter Kunststoff) eignen sich sehr gut für Betonbrücken, da sie nicht korrodieren, nicht ermüden, sehr zugfest und trotzdem leicht sind. Mit Carbonspanngliedern vorgespannte Carbonbetonbrücken werden seit über 30 Jahren gebaut, haben sich bisher aber noch nicht durchsetzen können. Neben dem hohen Materialpreis des Carbons liegt ein wesentlicher Grund in dem wenig werkstoffgerechten Umgang mit dem Material, wodurch sein Potential nicht voll ausgeschöpft wird. Althergebrachte Denkweisen aus dem Stahlspann- und Stahlbeton werden teilweise übernommen und nicht überprüft. Die vorliegende Arbeit zeigt daher Wege auf, wie mit vorgespanntem Carbonbeton im Brückenbau werkstoffgerecht entworfen und bemessen werden kann. Hierfür wird zunächst das bestehende Wissen mit dem Ziel aufbereitet, daraus Erkenntnisse für das werkstoffgerechte Entwerfen und Bemessen zu generieren. Im Zuge experimenteller Untersuchungen an Biegeträgern werden Begriffe wie Versagensankündigung, Duktilität und Robustheit in den Kontext eingeordnet. Anhand relevanter Literaturquellen werden die wesentlichen Bemessungsregeln für biegebeanspruchte Querschnitte diskutiert und deren Auswirkung auf die Bemessungsergebnisse (optimaler Vorspanngrad, Wirtschaftlichkeit) mithilfe einer Parameterstudie sichtbar gemacht. Anhand eigens entwickelter Beispielentwürfe werden Aussagen zum werkstoffgerechten Entwerfen hergeleitet. Eine zentrale Erkenntnis für die Bemessung ist der in der Arbeit begründete Wegfall des Dekompressionsnachweises. Die Vorspannung ist somit frei wählbar und sollte so hoch sein, dass durch sie je nach Vorspannart 50 bis 90 % der ständigen Lasten überdrückt werden. Es wird weiter festgestellt, dass im Unterschied zur Stahlvorspannung bei Carbon die Vorspannung ohne Verbund wirtschaftlicher ist als jene mit nachträglichem Verbund. Weiterhin wird die Eignung von Spanngliedern mit Carbonlamellen demonstriert, die aufgrund ihrer Form werkstoffgerecht über Umlenkung verankerbar sind und zudem effektiv unterhalb des Betonquerschnittes zur Maximierung des Hebelarms angeordnet werden können. Zugelemente aus Carbon sind teuer und sollten daher nur in Brückenbereichen eingesetzt werden, wo sie den größten Nutzen bringen. Die übrigen Bereiche können konventionell mit Stahl bewehrt werden. Solch eine Carbon(spann)beton-Stahlbeton-Verbundbauweise (CSV-Bauweise) führt zu wirtschaftlichen und nachhaltigen Brücken, da alle Materialien werkstoffgerecht eingesetzt werden, Investitionskosten somit moderat bleiben und durch die erhöhte Dauerhaftigkeit die Belastungen für Bauherren, Gesellschaft und Umwelt während der Nutzungszeit sinken. Die gewonnenen Erkenntnisse mündeten in der Herstellung der weltweit ersten, 20 m überspannenden CSV-Versuchsbrücke, mit der die Praktikabilität der neuen Bauweise gezeigt wurde. Die Ergebnisse der Arbeit sollen zur Erstellung von Bemessungsrichtlinien und -normen beitragen, Ideenansätze für entwerfende Ingenieure liefern und das Bewusstsein für einen werkstoffgerechten Umgang mit Carbonzugelementen in Betonbrücken erweitern.
Vorgespannter Carbonbeton im Brückenbau.
concept and design
Beitrag zum werkstoffgerechten Entwerfen und Bemessen
Prestressed carbon concrete in bridges
Apitz, Andreas (author) / Technische Universität Berlin (host institution)
2020
Miscellaneous
Electronic Resource
German
Entwurf , prestress , bridge , conceptional design , Carbonbeton , Bemessung , CFK , carbon concrete , Vorspannung , Brücke , CFRP , design
DDC:
624
Vorgespannter Carbonbeton im Brückenbau : Beitrag zum werkstoffgerechten Entwerfen und Bemessen
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