Kohlenstofffasern im Konstruktiven Ingenieurbau:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin
Ernst
2003
|
| Schriftenreihe: | Bauingenieur-Praxis
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| Schlagworte: | |
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| Beschreibung: | XXI, 328 S. Ill., graph. Darst. |
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| adam_text | Titel: Kohlenstofffasern im konstruktiven Ingenieurbau
Autor: Bergmeister, Konrad
Jahr: 2003
Inhaltsverzeichnis
Vorwort VII
Abkurzungsverzeichnis XVII
1 Einleitung 1
1.1 Allgemeines uber Kohlenstofffasern 1
1.2 Lebensdauer von Bauwerken 2
1.3 Sicherheitsaspekte und Teilsicherheitsfaktoren 3
1.3.1 Teilsicherheitsfaktoren fiir Baustoffe nach den Emocodes 4
1.3.2 Teilsicherheitsfaktoren fur Kohlenstofffaser-Elemente 5
1.3.3 Stochastische Modellierung von Baustoffen 7
1.4 Einwirkungen bei VerstarkungsmaBnahmen 9
1.4.1 Standige und veranderliche Einwirkungen im Hochbau 10
1.4.2 Standige und veranderliche Einwirkungen im Briickenbau 12
1.4.3 Erdbebenbelastung 15
1.5 Widerstande von Konstruktionen 16
1.5.1 Tragverhalten und Duktilitat 16
1.5.2 Widerstand gegeniiber Erdbebeneinwirkung 17
2 Kohlenstofffaserverstarkte Kunststoffe -
Grundlagen und bauspezifische Anwendungen 19
2.1 Historische Entwicklung 19
2.2 Kunststoffe 22
2.2.1 Einteilung 22
2.2.2 Thermoplaste bzw. Plastomere 23
2.2.3 Elastomere 24
2.2.4 Duroplaste bzw. Duromere 24
2.2.5 Eigenschaften von Kunststoffen 25
2.2.5.1 Kriechen und Relaxation 27
2.2.5.2 Zeitstandfestigkeit 27
2.3 Klebstoffe 27
2.3.1 Kleber fur Kohlenstofffaser-Elemente 28
2.3.2 Bindungskriifte in der Klebetechnik 29
2.3.3 Oberflachenbchandlung 30
2.3.4 Voraussetzungen fur eine gute Verklebung 32
2.3.5 Uberprufung von Verklebungen 33
2.4 Faserwerkstoffe 33
^ Inhaltsverzeichnis
35
2.5 KohlenstofTfasern *;
2.5.1 Herstellungsprozess
2.5.1.1 Herstellung von PAN-gebundenen Kohlenstofffasern
(PAN-based Carbonfibers) 37
2.5.1.2 Herstellung von Pech-gebundenen Kohlenstofffasern
(Pitch-based Carbonfibers) 37
2.6 Physikalische Eigenschaften 3^
2.7 Faserverbundwerkstoffe 4*
2.7.1 Fertigung von Verbundbauteilen 43
2.7.1.1 Handlaminierverfahren 43
2.7.1.2 Vakuumsaekverfahren 43
2.7.1.3 Faserspritzverfahren 44
2.7.1.4 Injektionsverfahren 44
2.7.1.5 Pressverfahren 44
2.7.1.6 Prepreg-und Autoklavenverfahren 44
2.7.1.7 Pultrusionsverfahren 44
2.7.1.8 Wickclverfahren 44
2.7.1.9 Schleudern 45
2.7.2 Nachbehandlung 45
2.7.3 Eigenschaften von Faserverbundbauteilen aus Kohlenstofffasern 45
2.8 Kohlenstofffaser-Werkstoffe 49
2.8.1 Faserbiindel 49
2.8.2 Taue 49
2.8.3 Strange 49
2.8.4 Game 49
2.8.5 Gcmahlene Fasern 49
2.8.6 Zerhackte Kurzfaserbiindel 49
2.8.7 Zerhackte Plattchen und Stabe 50
2.8.8 Unidireklionale Bander 50
2.8.9 Gewebe 50
2.8.10 Gelege 52
2.8.11 Kurzfasermatten 52
2.8.12 Vlicsc 53
2.8.13 Matten 53
2.8.14 Kohlenstofffaser-Lamellen 53
2.8.14.1 Aufrollradius von Lamellen 53
2.8.14.2 Das Verkleben von Kohlenstofffaser-Lamellen 55
2.8.15 Vcrankerungssysteme fur Lamellen 56
2.8.16 Kohlcnstofffaser-Kabel 61
2.8.16.1 Herstellung und Anwendung 61
2.8.16.2 Vorspannvcrluste 64
2.8.17 Verbund von Spanndrahten bei Spannbettvorspannung 64
2.8.18 Vcrankerungssysteme von Kohlenstofffaser-Kabel 65
2.8.19 Kohlenstofffaser-Schubwinkel 71
2.8.20 Kohlcnstofffaser-Strangschlaufen 72
Inhaltsverzeichnis XI
2.9 Brandeinwirkung auf Kohlenstofffaser-Elemente 72
2.10 Priifmethoden 74
2.11 Mess- und Uberwachungsmethoden 75
2.11.1 Dehnungsmessungen mit Glasfasersensoren
an Kohlenstofffaser-EIementen 77
2.11.2 Fabry-Perot-Interferometer 81
2.11.3 Faser-Bragg-Grating-Sensoren 82
2.11.4 SOFO®-Sensoren 83
2.11.5 Microbending-Verformungssensoren 83
2.11.6 Brillouin-Sensoren 84
2.12 Okologische Aspekte 85
3 Kohlcnstofffaser-Bcwehrungen im Betonbau 87
3.1 Faserbewehrung 87
3.1.1 Ausziehversuche 88
3.1.2 Modellierung des Verbundverhaltens 89
3.1.3 Wirkungsweise einer Faserbewehrung 92
3.1.4 Theorie der Verbundwerkstoffe 93
3.1.5 Entwicklung und Abschiitzung der Risskonfiguration 95
3.1.6 Aquivalente Biegezugfestigkeit 97
3.1.7 Abschiitzung der Biegetragfahigkeit 99
3.2 Mattenbewchrung 101
3.3 Kohlenstofffaser-Kabel 102
3.4 Betonbriicke mit Kohlenstofffaser-Bewehrung 106
3.5 Schleuderbetonrohre mit KohlenstoflTaser-Kabel 108
3.5.1 Versagensarten 108
3.5.1.1 Bruch der Verankerung 108
3.5.1.2 Biegeversagen des Betonfertigteils 108
3.5.1.3 Versagen der Zugzone durch Bruch der Kohenstofffaser-Bewehrung 109
3.5.1.4 Versagen der Druckzone durch Bruch des hochfesten Betons 109
3.5.1.5 Verbundversagen (Drahtverankerungsversagen) 109
3.5.1.6 Kohlenstofffaser-Draht-Druckbruch 110
3.5.1.7 Interlaminarer Drahlbruch 110
3.5.1.8 Spreizrisse 110
3.5.1.9 Kohlenstofffaser-Draht-Zugbruch bei Rissbildung 110
3.5.1.10 Verbundversagen Ill
3.5.2 Materialwiderstiinde Ill
3.5.3 Hochfester Schleuderbeton Ill
3.5.4 Vorspannverluste 112
3.5.5 Biegebemessung der vorgespannten Rohrquerschnitte 112
3.5.6 Grenzzustiinde der Gebrauchstauglichkeit 113
3.6 Hybridprofile mit Kohlenstofffaser-Geweben 113
XII
Inhaltsverzeichnis
4 Kohlenstofffaser-Verstarkungen im Betonbau 117
4.1 Geschichtlicher Uberblick
4.2 Mechanische Modellierung im Betonbau 117
4.2.1 Druckfestigkeit jjjj
4.2.1.1 Ermittlung der Betondruckfestigkeit jj|j
4.2.1.2 Unterschiedliche Abmessungen des Prufzylinders
4.2.1.3 Die Zeitabhiingigkeit der Druckfestigkeit 12^
4.2.1.4 Beeinflussung der Bohrkerne durch Bewehrungsstabe 120
4.2.2
4.2.3 Modellierung des gerissenen Stahlbetons 122
4.3 Mechanische Modellierung von 124
4.3.1 Betonstahl ^
4.3.2 Spannstahl
4.4 Stahl und Kohlenstofffaser-Bewehrung: ein Vergleich I24
4.5 Einflussparameter bei der Biegeverstarkung mit Kohlenstofffaser-Lamellen . 126
4.5.1 Einflussparameter des Klebeverbundes 126
4.5.1.1 Einfluss lokaler Unebenheiten - Bereich 1 I27
4.5.1.2 Einfluss vertikaler Rissuferversatze - Bereich 2 I27
4.5.1.3 Einfluss der Ablosung der Betondeckung am Laschenende durch
Schubrisse - Bereich 3 128
4.5.1.4 Einfluss des auBersten Biegerisses - Bereich 4 128
4.5.1.5 Einfluss des Rissfortschrittes im maximalen Momentbereich - Bereich 5 . • 130
4.5.1.6 Einfluss des Rissfortschrittes im Querkraftbereich - Bereich 6 130
4.6 Einfliisse bei der Biegeverstarkung mit Kohlenstofffaser-Gelegen 131
4.7 Verbundfestigkeit 131
4.7.1 Dchnungsgradienten 131
4.7.2 Verteilung der Verbundspannungen 134
4.7.3 Verbundgesetz - Verbundbruchkraft 135
4.8 Berechnung der Zugverankerung 138
4.9 Bemessung eines mit Kohlenstofffaser-Lamellen verstarkten Biegetragers . . 140
4.9.1 Krafte und Dehnungen 140
4.9.2 Spannungen und Dehnungen im ungerissenen Zustand 145
4.9.3 Ubergang vom ungerissenen zum gerissenen Zustand 146
4.9.4 Spannungen und Dehnungen im gerissenen Zustand 150
4.10 Nachweisfiihrung fur die Querkraftbemessung 151
4.11 Nachweisfiihrung fur die Gebrauchstauglichkeit 152
4.11.1 Begrenzung der Gebrauchsspannungen 153
4.11.2 Begrenzung der Durchbiegung 153
4.11.3 Begrenzung der Rissbreite 154
4.12 Eingeschlitzte Kohlenstofffaser-Lamellen 155
4.12.1 Bemessung von eingeschlitzten Kohlenstofffaser-Lamellen 159
Inhaltsverzeichnis XIII
4.12.1.1 Biegebemessung 159
4.12.1.2 Verbundbemessung 159
4.12.1.3 Schubbemessung 160
4.12.1.4 Ermiidung 160
4.12.1.5 Gebrauchstauglichkeit 160
4.13 Biegeverstarkung mit vorgespannten Kohlenstofffaser-Lamellen 161
4.13.1 Rechenmodell zur Bemessung von vorgespannten Kohlenstofffaser-
Lamellen 161
4.14 Konzepte und Bemessung der Querkraftverstarkung 161
4.14.1 Verstarkung mit Kohlenstofffaser-Stiiben 162
4.14.2 Querkraftverstarkung mit Kohlenstofffaser-Gelegen 163
4.14.3 Querkraftverstarkung mit Kohlenstofffaser-Schlaufen 163
4.14.4 Querkraftverstarkung von Rahmenknoten mit Kohlenstofffaser-Gelegen ... 164
4.14.5 Bemessung von Querkraftverstarkungen 164
4.15 Bemessung von Torsionsverstiirkungen 167
4.16 Befestigung von Kohlenstofffaser-Verstarkungen mit Endplatten 167
4.16.1 Befestigungsysteme fur gerissenen Beton 167
4.16.2 Querkraftbemessung einer Diibelgruppe 168
4.16.2.1 Stahlversagen 168
4.16.2.2 Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite 169
4.17 Bemessungsnachweise fiir Kohlenstofffaser-Lamellen
aus der bauaufsichtlichen Zulassung 170
4.18 Beispiel: Einfeldtrager mit zwei Einzellasten 173
4.18.1 Ungerissener Zustand 173
4.18.1.1 Bemessungswerte 173
4.18.1.2 SchnittgroBen vor der Verstarkung 174
4.18.2 Ubergang vom ungerissencn zum gerissenen Zustand 175
4.18.3 Gerissener Zustand 177
4.18.4 Grafische Darstellung der Berechnungsergebnisse 178
4.18.4.1 Abschalen im Biegebereich 178
4.18.4.2 Abschalen im Querkraftbereich durch Schubrisse 180
4.18.4.3 Abschalen im Querkraftbereich durch hohe Querkriifte 181
4.18.4.4 Vcrankerungslange 182
5 Kohlenstofffaser-Verstarkungen von Betonscheiben 183
5.1 Modellierung der Tragwirkung von Scheiben 183
5.1.1 Fachwerk- und Druckfeldmodelle 183
5.1.2 Gerissenes Scheibenmodell 185
5.1.3 Fachwerkmodelle in Normvorschriften 187
5.2 Tragverhalten und Bemessung von verstarkten Wandscheiben 187
5.2.1 Stabwerksmodelle fiir verstarkte Scheiben 188
5.2.2 Spannungsfeldtheorie fur verstarkte Wandscheiben 189
5.2.3 Nichtlineare Finite-Elemente-Methode (FEM) ftir Scheiben 192
XIV
Inhaltsverzeichnis
5.3 Beispielc fur eine Modellbildung von Kohlenstoffaser-Verstarkungen
an Wandscheiben
5.3.1 Verwendete Verstarkungsmaterialien
5.3.2 Wandscheibe ohne Offnung
5.3.3 Wandscheibe mit Offnung 1
5.3.4 Ausgeklinkter Trager
5.3.4.1 Nichtlineare Finite-Element-Berechnung
5.3.4.2 Modellierung mit den Stabwerken 201
5.3.4.3 Berechnung mit Spannungsfeldern 204
c . c 207
5.4 Fazit
6 Kohlenstofffaser-Verstarkungen von Stiitzen 209
6.1 Tragfahigkeit und Duktilitat 209
6.2 Stabilitatskriterien bei Ausfall von Bewehrungsbugeln 211
6.2.1 Ausweichen der m lttleren Langsstiibe unter Druck 211
6.2.2 Ausweichen der Eckstabe unter Druck 213
6.3 Druckfestigkeit des mit Kohlenstofffasern umwickelten Betons 213
6.3.1 Bemessungsvorschlag nach Monti 214
6.3.2 Bemessungsvorschlag nach Mander 214
6.3.3 Bemessungsvorschlag nach Seible et al 215
6.3.4 Wirkungsparameter der Kohlenstofffaser-Umschnurung 215
6.3.4.1 Voile Umwicklung 216
6.3.4.2 Teilweise Umwicklung 217
6.3.4.3 Einfluss der Faserausrichtung 218
6.3.4.4 Einfluss durch die Stutzenform 21S
6.4 Qucrkraftverstarkung von Stiitzen mit Kohlenstofffaser 220
7 Kohlenstofffaser-Verstarkungen im Holzbau 221
7.1 Eigenschaften von Holz 221
7.1.1 Neucs Konstruktionsholz 221
7.1.2 Altes Konstruktionsholz 223
7.2 Verstarkungen von Holz 225
7.2.1 Verstarkungen in eingefriister Nut parallel zur Faserrichtung 227
7.2.2 Parallel zur Faserrichtung aufgeklebte Kohlenstofffaser-Lamellen 229
7.2.3 Kohlcnstoflfaser-Verstarkungen quer zur Faserrichtung 229
7.2.4 Kohlenstolffaser-Verstarkungen an ausgeklinkten Holztragern 229
7.2.5 Verstarkungen von Tragerdurchbriichen 230
7.2.6 Vcrstiirkungen von gekriimmten Tragern 230
7.2.7 Verstarkungen im Bereich konzentrierter Lasteinleitungen 231
7.2.8 Vorgespannte Kohlenstofffaser-Verstarkungen 232
7.3 Bemessung von Kohlenstofffaser-Verstarkungen im Holzbau 233
7.3.1 Elastische Bemessung 233
7.3.2 Plastischc Bemessung 233
Inhaltsverzeichnis XV
7.3.2.1 Unverstarkter Holzquerschnitt 233
7.3.2.2 Bemessungskonzept fur einen verstarkten Querschnitt 236
7.4 Verbund 238
7.5 Versagensarten 242
7.6 Nachweise 246
7.6.1 Tragsicherheit (Spannungsnachweise) 246
7.6.1.1 Allgemeine Biegemessung fur Kohlenstofffaser-Verstarkungen 246
7.6.1.2 Nachweis in der Biegedruckfaser 247
7.6.1.3 Nachweis in der Biegezugfaser 247
7.6.1.4 Schubbemessung 247
7.6.1.5 Nachweise in der Kohlenstofffaser-Lamelle 248
7.6.2 Gebrauchstauglichkeit 248
7.7 Bemessungsbeispiele 249
7.7.1 Materialkennwerte 250
7.7.2 Unverstarkter Querschnitt (Holz- oder Brettschichtholztrager) 250
7.7.3 Einseitig verstarkter Querschnitt 252
7.7.3.1 Linear-elastische Berechnung 252
7.7.3.2 Plastische Berechnung 254
8 Kohlenstofffaser-Verstarkungen im Stahl- und Verbundbau 259
8.1 Eigenschaften von Stahl 259
8.1.1 Neue Stahlbezeichnungen und-eigenschaften 259
8.1.2 Historische Stahlbezeichnungen und -eigenschaften 261
8.2 Verstiirkungen von Stahlprofilen 262
8.3 Bemessung von Kohlenstofffaser-Verstarkungen an Stahlprofilen 263
8.3.1 Elastische Bemessung 263
8.3.2 Plastische Bemessung 265
8.4 Versagensarten 266
8.5 Vorgespannte Kohlenstofffaser-Elemente 266
9 Kohlenstofffaser-Verstarkungen von Mauerwerk 267
9.1 Materialverhalten von neuem Mauerwerk 269
9.2 Materialverhalten von historischem Mauerwerk 270
9.2.1 Geschichtliche Entwicklung der Formgebungsverfahren 270
9.2.1.1 Streichen 270
9.2.1.2 Pressen 270
9.2.2 Kennwerte von historischen Mauerziegeln 271
9.2.2.1 Rohdichte 272
9.2.2.2 Druckfestigkeit 272
9.2.2.3 Spaltzugfestigkeit 272
9.2.2.4 Elastizitatsmodul 272
9.2.2.5 Richtungsfaktoren 273
Inhahsverzeichnis
9.3 Bemessung von unbewehrtem Mauerwerk 273
9.4 Bemessung von bewehrtem Mauerwerk 275
9.5 VerstarkungsmaBnahmen von Mauerwerk 276
9.5.1 Verstarkung mit Kohlenstofffaser-Lamellen 276
9.5.2 Verstarkung mit Geweben und Gelegen 278
9.6 Berechnungsmethoden 279
9.6.1 Elastizitatstheorie 279
9.6.1.1 Bruchbedingungen fur verstarktes Mauerwerk 280
9.6.2 Plastizitatstheorie und Spannungsfelder 282
9.7 Nachweise bei der Verstarkung von Mauerwerk 284
9.7.1 Unverstarkte Tragwand 284
9.7.2 Verstarkte Tragwand 285
9.8 Endverankerung von Kohlenstofffaser-Lamellen 285
9.8.1 Injektionsdiibel 286
9.8.2 Kunststoffdiibel 288
9.8.3 Bemessung von Kunststoffdiibeln durch Versuche am Bauwerk 288
9.8.4 Bemessung nach den Zulassungsfaktoren 289
9.9 Verstarkung von Mauerwerkspfeilern mit Kohlenstofffaser-Gelegen 291
10 Konstruktive Anwendungen von Kohlenstofffaser-Elementen 293
10.1 Ertiichtigung einer Bogenbriicke 293
10.2 Ertiichtigung eines Beton-Fachwerkbinders 294
10.3 Ertiichtigung eines Kirchengewolbes 296
10.4 Vorgespannte Kohlenstofffaser-Lamellen
zur Verstarkung einer Hochbaudecke 296
10.4.1 Einwirkungen und Geometrie 298
10.4.2 Tragsicherheitsnachweis 299
10.5 Koppelfugensanierung einer Durchlauftragerbriicke 301
10.5.1 Nachweis der Schwingweite in Koppelfugen 302
10.5.2 Koppelfugensanierung mittels Kohlenstofffaser-Oberflachenvorspannung . . . 302
10.6 Internct-Adressen von Herstellern und Anwendern 304
Literaturverzeichnis 307
Stichwortverzeichnis 323
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