Vorspannung mit sofortigem Verbund für Betonbauteile mit gemischten Bewehrungen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Stark
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530620462

Tragfähige und gleichzeitig schlanke Betonfertigteile können durch eine Vorspannung mit sofortigem Verbund erreicht werden, da die Vorspannung allein durch den Verbund übertragen wird. Mit Bewehrungen aus korrosionsbeständigem carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) werden notwendige Mindestbetondeckungen nur aus Verbundanforderungen und nicht aus Dauerhaftigkeitsbetrachtungen bestimmt. Neben der Spannbewehrung werden zur Steigerung der Duktilität, Wirtschaftlichkeit und Gebrauchstauglichkeit auch schlaffe Bewehrungen angeordnet. Insbesondere korrosionsbeständige CFK-Bewehrungen ermöglichen es, Zugspannungen oder Rissbildungen im Gebrauchszustand in der vorgedrückten Zugzone zuzulassen. CFK-Bewehrungen zeigen neben geometrischen Einflüssen vor allem auch herstellerabhängige Oberflächenbeschaffenheiten. Infolge der resultierenden unterschiedlichen Verbundeigenschaften bei gemischten Bewehrungen kann eine Rissbildung im Beton zu unplanmäßigen Spannungsumlagerungen führen. Aufgrund der fehlenden Plastizität sind gemischte CFK-Bewehrungen neben dem Gebrauchslastniveau insbesondere auch auf Tragfähigkeitsniveau detailliert zu untersuchen, um ein vorzeitiges Versagen einzelner Bewehrungspositionen durch umgelagerte Spannungen ausschließen und die Werkstoffe gleichzeitig materialgerecht ausnutzen zu können. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die systematische Analyse des Verbundverhaltens von gemischten CFK-Bewehrungen mit und ohne Vorspannung in Betonen verschiedener Festigkeiten (normalfest, hochfest, ultra-hochfest). Mit abzuleitenden numerischen und mechanisch-basierten Berechnungsmodellen sowie Modell- und Bauteilversuchen zur Validierung werden Materialkombinationen und geometrische Randbedingungen so variiert, dass die wesentlichen Verbund- und Tragmechanismen von mit CFK-Bewehrungen vorgespannten und gemischt bewehrten Querschnitten isoliert werden können. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen sind dabei eng verzahnt und iterativ verschachtelt zwischen Meso- und Makroebene geplant. Zunächst wird das isolierte Verbundverhalten verschiedener CFK-Bewehrungen mit und ohne Vorspannung analysiert. Aufbauend hierauf werden das Umlagerungsvermögen und Ausnutzungsgrade gemischter, schlaffer und vorgespannter Bewehrungen mit unterschiedlichen Verbundeigenschaften unter statischer sowie Dauer- und zyklischen Lasten erforscht. Hierfür werden an idealisierten Ausschnitten einer Biegezugzone Untersuchungen unter reiner Zugbeanspruchung durchgeführt. Zur Überprüfung dieser Idealisierung wird das Umlagerungsvermögen an Balkenquerschnitten unter Biegebeanspruchung inklusive des Verankerungsverhaltens der Bewehrungen untersucht. Anschließend werden Ingenieurmodelle auf Grundlage der mechanisch-basierten Berechnungsmodelle abgeleitet, die weiterhin alle Information zur Bestimmung des Verbund- und Umlagerungsverhaltens von CFK-Bewehrungen in vorgespannten, gemischt bewehrten Bauteilen unter Biegebeanspruchung berücksichtigen sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen