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Verbundverhalten von GFK-Bewehrungsstäben und Rissentwicklung in GFK-stabbewehrten Betonbauteilen
(2004)
In der vorliegenden Arbeit werden im Rahmen von Ausziehversuchen die Verbundeigenschaften verschiedener Bewehrungsstäbe aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) unter Berücksichti-gung signifikanter Einflussgrößen auf das Verbundverhalten wie Oberflächenprofilierung der Stäbe, Stabdurchmesser, Betonfestigkeit, Verbundlänge sowie Beanspruchungsart unter einheitlichen Versuchsrandbedingungen bestimmt. Es erfolgt eine Bewertung der Einflussgrößen, der Verbundeigenschaften und des Verbundversagens der untersuchten GFK-Bewehrungsstäbe. Basierend auf der Modellbildung zum Verbund zwischen GFK-Stäben und Beton wird die Bestimmung der Verankerungslänge aufgezeigt. Im Rahmen von Versuchen an GFK-stabbewehrten Dehnkörpern und Balken wird die Auswirkung der spezifischen mechanischen Eigenschaften der GFK-Stäbe auf die Rissentwicklung gegenüber stahlbewehrten Bauteilen untersucht. Insbesondere wird betrachtet, welchen Einfluss das Bewehrungsmaterial, der Bewehrungsgrad, die Betonfestigkeit sowie die Belastungsart auf die Mitwirkung des Betons auf Zug zwischen den Rissen sowie auf die Entwicklung des Rissbildes, der Rissbreiten und der Rissabstände haben. Auf Grundlage der experimentellen Untersuchungen wird die Übertragbarkeit der für Stahlbetonbauteile üblichen Ansätze zur Bestimmung der Rissbreite auf GFK-stabbewehrte Betonbauteile bewertet.
Der Einsatz von Glasfaserverstärkten Kunststoffen im Verbundbrückenbau wurde überprüft. Hierzu wurden Vergleichsbrücken in Stahl / Beton und GFK / Beton entwickelt und vergleichend überprüft. Im Vergleich wurden nicht nur die Kriterien der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit sondern auch ökonomisch günstige sowie ökologisch vertretbare Faktoren betrachtet. Der Vergleich der Bauweisen wird anhand der Effizienzwertmethode (EWM) durchgeführt, welche an der Bauhaus ? Universität Weimar von Dr. Derek Eisert entwickelt wurde. Mit Hilfe der EWM ist es möglich ganzheitliche und nachhaltige Bewertungen durchzuführen. Im Rahmen der Anwendung der EWM war vor allem die Überprüfung des Kriterienkataloges im Hinblick auf die Anwendbarkeit bei Verbundbrücken ein Ziel dieser Arbeit. Um eine exakte Bewertung durchführen zu können ist es notwendig exakte Beiwerte für die einzelnen Kriterien (Tragen, Gebrauchen, Erleben, Ökonomie und Ökologie) zu ermitteln. Hierzu sind entsprechende Grundlagen und Recherchequellen aufgezeigt.
Kein anderes Material hat im 19. Jahrhundert das Design und die Architektur beeinflußt, wie die Kunststoffe. Das Feld der Realisationen und der Projekte des gesamten Kunststoffbaus ist dabei aufgrund der unterschiedlichen Kunststoffarten und somit Ausführungen sehr weitläufig. Daher begrenzt sich diese Untersuchung auf die glasfaserverstärkten Kunststoffe (GFK). Die Glasfasern übertragen die auftretenden Kräfte und werden durch das sie umschließende Harz gebunden. Die GFK sind daher bestens für tragende Bauteile geeignet. Die glasfaserverstärkten Kunststoffe durchliefen in den 1940er bis 1970er Jahren eine für einen Baustoff kurze aber sehr ergiebige Pionierphase. Die umfassende Analyse der drei zu unterscheidenden Perioden setzt sich aus der Untersuchung der wirtschaftlichen, politischen, gesellschaftlichen und kulturellen Beeinflussungen zusammen. Circa 260 unterschiedliche Projekte wurden weltweit aus selbsttragenden / tragenden GFK-Bauteilen realisiert. Diese sind ausführlich innerhalb des Kataloges im Anhang aufgelistet. GFK-Bauten waren nicht allein aufgrund des neuen Materials modern, sondern auch aufgrund ihrer freien Formbarkeit, transluzenten Flächen und auffälligen Farben und den flexiblen Nutzungskonzepten entsprechend einer modernen demokratischen Gesellschaft, die aufgeschlossen und optimistisch der Zukunft gegenübersteht. Die Realisationen, die zum Teil bis heute noch genutzt werden, beweisen den hohen Wissensstand der Pioniere. Die von den Pionieren gesuchte GFK-Architektur war eine sehr vielfältige, die sich nicht auf wenige Formenmerkmale zusammenfassen läßt. Das neue Material ermöglichte es den Architekten, ihre Vorstellungen und Träume von Formen, Gehäusen und Bauten zu realisieren. Die Analyse der Vorgänger und der Inspirationsquellen diese Formenvielfalt sind Grundlage einer objektiven Beurteilung dieser Bauten. Architekten und Bauingenieure suchten ideale Einsatzgebiete und Konstruktionsvarianten für den bis dahin assoziationsfreien Baustoff. Die Nutzungskonzepte: Wohnhaus, Zweithaus, Ausstellung, Spielgerät und die Entwicklung von Gebäudeteilen: Gebäudehülle, Überdachung, Fassade werden im Gesamtzusammenhang und nach der optimalen Verwendbarkeit untersucht. Das Wissen über den Verlauf der Pionierphase der GFK, die damals formulierten Gründe für und wider deren Einsatz und der entwickelten Konstruktionen, Verbindungstechniken und Tragwerke kann einem erneuten Einsatz des Baumateriales nur dienlich sein. Anliegen dieser Dissertation ist es, die GFK als einsatzfähige Werkstoffe innerhalb der Architekturlandschaft wieder einen Platz zu geben. Diese Analyse soll verschüttetes Wissen aufdecken, die in den 1970er Jahren entstandenen Vorurteile sichtbar machen und die glasfaserverstärkten Kunststoffe als das darstellen, was sie sind, leistungsfähige Baustoffe für gekrümmte und gefaltete Konstruktionen.
In dieser Diplomarbeit mit dem Thema „Modellierung von Fußgängerbrücken aus faserverstärktem Kunststoff“ wird ein Tragwerk aus glasfaserverstärktem Kunststoff für eine Fußgängerbrücke mit 10,0 m Stützweite entwickelt, untersucht und hinsichtlich der Dimensionierung und Konstruktion analysiert. Inhaltlich wird hierzu in den Vorbetrachtungen zum Thema auf vorhandene Beispiele für Brückentragwerke aus faserverstärkten Kunststoffen eingegangen. Es werden die im Rahmen der Diplomarbeit wichtigen Sachverhalte hinsichtlich des Materials der faserverstärkten Kunststoffe (FVK) und auch die erforderlichen Grundlagen für die Berechnungen gegeben. Nach der Vorstellung verschiedener Ideen für Tragwerksquerschnitte erfolgt als Schwerpunkt der Diplomarbeit die rechnergestützte Modellierung und Berechnung einer Vorzugsvariante sowie die Auswertung und Analyse der Berechnungsergebnisse. Abschließend wird das entwickelte Tragwerk bewertet und es werden weitere Entwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt.