Fibre-reinforced polymer stirrup for reinforcing concrete structures

Abstract

Im Verkehrsflächen- und Gewässerbau werden derzeit Betonelemente beispielsweise als Rahmenkanäle und Schächte in stahlbewehrter massiver Ausführung eingesetzt. Zur Lastableitung von Erd- und Wasserdrücken sowie zur Begehung und Befahrung ergeben sich für diese Art von Betonfertigteilen Wandstärken von etwa 25 cm, was erheblich zur Erhöhung des Gewichtes derartiger Bauteile beiträgt. Insbesondere beim Transport der Fertigteile zum Einsatzort sowie bei Montage und Einbau wirkt sich dieses hohe Gewicht nachteilig aus. Des Weiteren beeinflussen diese stahlbewehrten Elemente elektrische und magnetische Felder, sodass beispielweise bei schienengebundenen Verkehrsflächenanlagen (Verkehrsregelanlagen mit Induktionsschleifen) spezielle aufwendige Maßnahmen zur Entkopplung umzusetzen sind.

Explizit im Bereich der internen Betonbewehrung gelten zunehmend Komponenten aus Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als wichtige Alternative zu stahlbasierten Betonbewehrungselementen. FKV bestehen in der Regel aus einer Kunststoffmatrix mit integrierten Fasern zur Erhöhung der Zugfestigkeit. Zur Umsetzung hoher spezifischer Festigkeiten und Steifigkeiten ist die Auswahl geeigneter Fasermaterialien von entscheidender Bedeutung. Nach dem aktuellen Stand der Forschungen werden vorrangig FKV-Bewehrungen in geradliniger Form, durch Pultrusion in Kombination mit duromeren Polymersystemen und Glas-, Basalt- und Kohlenstofffasern (GFK, BFK, CFK), hergestellt. Die duromeren Matrixsysteme können nach ihrer Erhärtung durch die starke Vernetzung der Polymerketten nicht mehr verformt werden. Ein nachträgliches Biegen der Bewehrung, etwa unter Energiezufuhr, ist damit ausgeschlossen.

Die FKV-Bewehrungen in Bügelform grenzen sich von geradlinigen Stäben aufgrund der anderen Formgebung klar in ihren Eigenschaften ab. Gekrümmte FKV-Bewehrungen zeigen im Vergleich zu geradlinigen Profilen eine deutlich andere Faserarchitektur und Oberflächenprofilierung auf, woraus signifikant reduzierte Bauteileigenschaften resultieren. Verfahrensbedingt sind die individuellen Krümmungsradien der FKV-Bewehrungsbügel (d_br) minimal auf den 7-fachen Stabdurchmesser (d_br ≥7d_s) beschränkt, was die Anwendungsvielfalt sehr stark begrenzt und die Etablierung auf dem Markt erschwert.

Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden neue FKV-Bügelbewehrungen mit reduzierten Krümmungsradien entwickelt und gezielt für eine Erweiterung des Einsatzspektrums hinsichtlich des Ingenieur- und Tiefbau optimiert. Dabei kamen erweiterte Berechnungsmethoden zur Anwendung und der Nachweis der Wirksamkeit anhand von international anerkannten Prüfmethoden wurde erbracht. Die entwickelten FKV-Bügelbewehrungen sowie die Anpassung der Bemessungsmethoden tragen zur wirtschaftlichen Herstellung von dünnwandigen, nicht elektromagnetisch leitfähigen, hochbelastbaren und dauerhaften Leichtbaustrukturen mittels mineralisch gebundener Matrizes bei. Im Zuge dieser Untersuchung wurde deutlich, dass die neu entwickelten Bügelbewehrungen aus FKV mit geringeren Krümmungsradien im Vergleich zu den bisherigen FKV-Bügeln nach dem Stand der Technik wesentlich mehr Potenzial aufweisen. Dies betrifft in erster Linie die Verringerung des Krümmungsradius (von 7 auf 4 d_br) bei gleichzeitiger signifikanter Erhöhung der Steigbügelzugfestigkeit (von 675 auf 725 MPa) und die Erhöhung der Klebeeigenschaften (von 22 auf 30 GPa). Die zukünftige Anwendung von FKV-Bügelbewehrung eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder für eine leichtere und effizientere Konstruktion.