Theoretische und praktische Entwicklung einer aufgeklebten CFK Stahlbetonverstärkung unter Berücksichtigung der vollständigen Kompatibilität zum Betonstahl

Bauteile aus Stahl- oder Spannbeton zeigen oftmals Defizite oder Schäden, die zu der Notwendigkeit einer Verstärkungsmaßnahme führen. In diesem Fall ist die Verstärkung und Instandsetzung mit aufgeklebten CFK-Lamellen eine häufig angewandte Methode. Die CFK-Lamellen werden hierbei als ergänzendes Zugglied für ein Stahlbetonbauteil mit Klebstoff auf die entsprechende Oberfläche appliziert.

Als Klebstoff wird derzeit meist Epoxidharz verwendet, das sich durch hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte sowie gute Adhäsion auszeichnet. Dies resultiert in einem äußerst spröden Verbundverhalten der geklebten CFK-Lamellen. ... mehrBei Rissöffnung stellen sich am Rissufer Spannungskonzentrationen in der CFK-Lamelle ein -- in Folge dessen kommt es zu einer Entlastung der einbetonierten und einer Überbelastung der aufgeklebten Bewehrung. Aufgrund der ungleichmäßigen Kraftaufteilung kann nicht von einem kompatiblen Verstärkungssystem gesprochen werden. Weiterhin führt die Verwendung des Epoxidharzes zu deutlichen Einschränkungen in der Anwendung solcher Verstärkungsmaßnahmen. Zu nennen sind hierbei vor allem die geringe Widerstandsfähigkeit gegen erhöhte Temperaturen und Ermüdungsbelastungen.

In dieser Arbeit wird diese Verstärkungsmethode grundlegend modifiziert. Das hierbei entwickelte und untersuchte Verstärkungssystem unterscheidet sich durch den verwendeten Klebstoff von den derzeit üblichen Systemen. Der auf Polyurethan-Basis hergestellte Klebstoff bildet eine deutlich weichere bzw. elastischere Klebschicht aus. Durch entsprechende Definition der Festigkeiten und Verformungsfähigkeiten der Klebschicht wird das Verbundverhalten der aufgeklebten dem der einbetonierten Bewehrung angenähert. Hierdurch ergibt sich über alle Beanspruchungszustände eine gleichmäßige Zugkraftaufteilung -- durch die Angleichung der Verbundsteifigkeiten entsteht ein kompatibles Verstärkungssystem. Das System ist durch die Ausweitung des linear-elastischen Verbundverhaltens in der Lage, Ermüdungsbelastungen deutlich besser abzutragen. Durch die Formulierung des Klebstoffes auf Polyurethan-Basis werden weitere kritische Punkte wie Wärmebeständigkeit implizit verbessert.

Der Einfluss der Klebschichtsteifigkeit auf das Verbund- und Interaktionsverhalten der geklebten Bewehrung bzw. der beiden Bewehrungsstränge wird in dieser Arbeit zunächst numerisch untersucht. Hierzu werden Untersuchungen auf Verbund- und auf Bauteilebene durchgeführt.

Den Kern der Arbeit bilden die weiterhin durchgeführten experimentellen Untersuchungen auf \linebreak Material-, Haftzug-, Verbund- und Bauteilebene. Auf Verbundebene wird im Rahmen von Endverankerungsversuchen systematisch der Einfluss der Klebschichtsteifigkeit und -geometrie auf das Verbundverhalten der geklebten Bewehrung untersucht. Die Ermittlung der \linebreak Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung erfolgt durch die Verwendung faseroptischer Sensoren. Das Ergebnis ist ein eigener Verbundansatz, der die untersuchten Einflussfaktoren berücksichtigt. Auf Bauteilebene werden Vier- und Dreipunkt-Biegeversuche an verstärkten Stahlbetonbalken durchgeführt. Die verbesserte Interaktion der Bewehrungsstränge kann durch die Ermittlung der Verbundkoeffizienten der CFK-Lamelle gezeigt werden. Bei der Verwendung des neu entwickelten Klebstoffes wird eine Vereinfachung des Nachweisformates ermöglicht. Weiterhin ergeben sich positive Effekte wie gesteigerte Tragfähigkeit und Aufrechterhaltung des Verformungsvermögens bzw. der Duktilität.

Components made of reinforced or pre-stressed concrete often show deficits or damage that lead to the necessity of a strengthening action. In this case, strengthening and repair with externally bonded (EB) CFRP strips is a frequently used method. This is executed by applying the CFRP strips with adhesive to the corresponding surface as a supplementary tension member for a reinforced concrete component.

Epoxy resin is currently the most commonly used adhesive, which is characterised by high strength and rigidity values and good adhesion. This results in an extremely brittle bond behaviour of the bonded CFRP strips. ... mehrWhen the crack is opened, stress concentrations in the CFRP strip occur at the crack edge -- this leads to a relief of the embedded and an overload of the EB reinforcement. Due to this uneven distribution of forces, it is not possible to speak of a compatible reinforcement system. Furthermore, the use of epoxy resin leads to significant restrictions in the application of such reinforcement actions. In particular, the low resistance to elevated temperatures and fatigue loads must be mentioned.

In this thesis this strengthening method is fundamentally modified. The reinforcement system developed and investigated here differs from the currently used systems by the used adhesive. The polyurethane-based adhesive forms a significantly softer or more elastic adhesive layer. By defining the strength and deformation properties of the adhesive layer accordingly, the bond stiffness of the EB reinforcement is approximated to that of the embedded reinforcement. This results in an even distribution of tensile forces over all stress conditions -- the adjustment of the bond stiffness results in a compatible reinforcement system. By extending the linear-elastic bond behaviour, the system is able to bear fatigue loads much better. The formulation of the polyurethane-based adhesive implicitly improves other critical points such as heat resistance.

The influence of the adhesive layer stiffness on the bond and interaction behaviour of the EB reinforcement or the two reinforcement strands is at first numerically investigated in this thesis. For this purpose, investigations are carried out on the bond and component level.

Furthermore, the core of the work is formed by the experimental investigations at the material level, on the pull-off strength and at bond or composite level. At the bond level, the influence of adhesive layer stiffness and geometry on the bond behaviour of the EB reinforcement is systematically investigated within the scope of end anchorage tests. The determination of the bond stress-slip relationship is carried out by using fiberoptical sensors. The result is an own formulation of the bond stress-slip relationship, which takes into account the investigated influencing factors. At component level, four- and three-point bending tests are carried out on strengthened reinforced concrete beams. The improved interaction of the embedded and EB reinforcement can be shown by determining the bond coefficients of the CFRP strip. When using the newly developed adhesive, a simplification of the design is made possible. Furthermore, positive effects such as increased load-bearing capacity and maintenance of the deformability or ductility are achieved.