Leicht Bauen mit Beton - Räumliche filigrane Stabtragwerke aus ultrahochfestem Beton und CFK-Bewehrung

摘要

Im Teilprojekt „Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke" des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Schwerpunktprogramms (SPP) 1542 „Leicht Bauen mit Beton - Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien" werden derzeit am Lehrstuhl für Massivbau der Technischen Universität München (TUM) an der Tragwirkung orientierte formoptimierte Druckstäbe und vorgespannte Zugstäbe aus innovativen Materialien entwickelt. Durch theoretische und experimentelle Untersuchungen an diesen Einzelkomponenten sollen Grundlagen geschaffen werden, um möglichst schlanke stabförmige Tragstrukturen aus Beton in modularer Bauweise zu realisieren. Im vorliegenden Artikel wird zunächst ein kurzer Überblick über das gesamte Teilprojekt und einige relevante werkstoffspezifische Charakteristika von ultrahochfestem Beton (UHPC) und von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gegeben. Anschließend werden die bisher durchgeführten Untersuchungen zu den Druck-und Zugstäben und die wesentlichen Ergebnisse vorgestellt. Im Einzelnen wird dabei unter anderem auf die, mittels numerischer Analysen hergeleiteten, optimierten Formen der Druckstäbe bei einem maßgebendem Stabilitätsversagen und geometrisch linearer Theorie für verschiedene Lagerungsfälle unter zentrischem Druck eingegangen. Zudem werden die Ergebnisse von statischen Kurzzeitdruckversuchen zur Untersuchung der Traglaststeigerung durch eine einbetonierte CFK-Umschnürungsbewehrung mit unterschiedlicher Dicke dargestellt. Hinsichtlich der vorgespannten Zugstäbe werden die Resultate von Ausziehversuchen mit CFK-Stäben unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit diskutiert, anhand derer die grundsätzliche Eignung der Stäbe zum Vorspannen im sofortigen Verbund beurteilt werden soll. Abschließend werden noch laufende und geplante Untersuchungen innerhalb der ersten Förderperiode des Teilprojektes erläutert und es wird auf weiteren Forschungsbedarf zur Realisierung von Stabtragwerken aus Beton eingegangen.%Under Priority Program 1542 "Concrete light. Future concrete structures using bionic, mathematical and engineering formfinding principles", funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), the aim of the subproject "Shape optimized filigree rods made of UHPC and non-corrosive CFRP-reinforcement for variable three-dimensional trusses" is to develop shape-optimized struts and prestressed ties out of innovative materials in accordance with the principle "form follows force". By theoretical and experimental investigations on these two components fundamentals for the realization of modularly constructed slender concrete truss supporting structures shall be created. The article begins with a short overview of the entire subproject and a few relevant material-specific characteristics of ultra-high performance concrete (UHPC) and carbon-fiber-reinforced polymers (CFRP). Subsequently the investigations that have already been carried out on the struts and ties and the essential results are presented. Geometrically linear numerical analysis were used to determine the optimized shapes of the struts in the longitudinal direction when subject to a concentric axial compression load causing failure due to a loss of stability for varying support conditions. Furthermore, short-term compressive tests were carried out to investigate the increase in ultimate load capacity of the concrete members when provided with CFRP confining reinforcement of varying thickness. The findings from both of these studies are presented. With regard to the prestressed ties, the results of pull-out tests for CFRP-bars with varying surface conditions are discussed, and form the basis for assessing the general suitability of the bars for pretensioning. Finally, still ongoing and further investigations planned within the first funding period of the subproject along with further needs for research to realize concrete truss structures are outlined.