Concrete structures with stay-in-place flexible formworks and integrated textile reinforcement
Autor: Minu Lee
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-b-000602330call_made
Kurzfassung
Die Reduktion des im Bausektor verbrauchten Betonvolumens ist – angestossen durch die dringenden Anforderungen an die Nachhaltigkeit – einer der entscheidenden Treiber für die Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe und Tragwerkstypologien. In dieser Dissertation wird ein neuartiger Ansatz für flexible Schalungen mit integrierter Textilbewehrung vorgestellt, welcher auf der KnitCrete-Technologie basiert. Diese ermöglicht es, den ökologischen Fussabdruck von Betontragwerken mithilfe form- und funktions-optimierter Geometrien und schlanker Bauteilabmessungen zu reduzieren, die durch die Verwendung von gestrickten Textilien und korrosionsbeständigen, hochfesten Fasermaterialien ermöglicht werden.
Der erste Teil der Arbeit untersucht die Möglichkeiten, die sich aus gestrickten Textilien ergeben – einschliesslich der Machbarkeit doppelt gekrümmter Formen und der Integration kontinuierlicher Rovings und räumlicher Rippen – und hinterfragt konventionelle Bewehrungsarten und ihre Eignung für komplexe Geometrien, wobei zwei grundlegende Ansätze für effiziente Bewehrungsstrategien vorgeschlagen werden: (i) Verwendung hochfester Fasermaterialien für die Herstellung der gestrickten Textilien und (ii) Führung konventioneller Bewehrung (d. h. Bewehrungsstäbe oder Vorspannkabel) mit integrierten Details innerhalb der flexiblen Schalungen.
Der zweite Teil der Arbeit charakterisiert das mechanische Verhalten von Betonelementen mit gestrickter Textilbewehrung hinsichtlich (i) Festigkeit, (ii) Steifigkeit, (iii) Verbund und (iv) Verformungsvermögen. Zu diesem Zweck werden mehrere Versuchsserien durchgeführt, um die Anwendbarkeit des Herstellungsverfahrens nachzuweisen und das Tragwerksverhalten unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu untersuchen, einschliesslich einachsigem Zug, Biegung und Querkraft. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf verschiedene Strickmuster, Textilmaterialien und Beschichtungsarten sowie auf den Einfluss von Schubverbindungen, welche die Verbundeigenschaften und die Verwendung von Faserbeton, welche das Nachrissverhalten verbessern. Weiterhin werden die Kombination von spröden und duktilen Bewehrungsmaterialien und die Optimierung der Geometrie mithilfe dünnwandiger Querschnitte untersucht. Das Last-Verformungs- und Versagensverhalten wird mithilfe verfeinerter Messtechniken, d.h. digitaler Bildkorrelation und Faseroptik, analysiert, die eine Auswertung der mittleren Dehnungen in der Bewehrung und der Risskinematik ermöglichen. Analytische Methoden basierend auf dem Zuggurtmodell, welches die Spannungsübertragung zwischen der Bewehrung und dem Beton auf der Grundlage mechanisch konsistenter Annahmen berücksichtigt, erlauben die Anpassung an die spezifische Geometrie der gestrickten Textilbewehrung, die Rückrechnung der Verbundschubspannungen und die Berücksichtigung von Kurzfasern im Beton. Die auf diese Weise erhaltenen Vorhersagen werden mit den experimentellen Resultaten validiert. Der Tragwiderstand von Betonbalken mit integrierter textiler Querbewehrung wird hinsichtlich verschiedener Anteile des Betons und der hochfesten Rovings zur Schubübertragung im massgebenden Riss analysiert und mittels numerischer Simulationen basierend auf der Compatible Stress Field Method modelliert.
Im dritten Teil der Arbeit werden auf der Grundlage der aus den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse über das mechanische Verhalten mögliche Anwendungsgebiete diskutiert. Die Auswirkungen der Verwendung von spröden Bewehrungsmaterialien werden untersucht und verschiedene Mittel zur Implementierung von Duktilität im globalen Tragwerksverhalten werden behandelt. Schliesslich wird ein Rahmen zur Klassifizierung sicherer und zuverlässiger Entwurfsprinzipien vorgeschlagen, um ein angemessenes Nachrissverhalten zu erreichen. Die Arbeit schliesst mit einer Fallstudie, in der das Tragwerksverhalten von doppelt gekrümmten Betonschalen mithilfe nichtlinearer Finite-Elemente-Analysen untersucht wird, und welche das Potenzial des entwickelten Bewehrungsansatzes für Tragwerke mit komplexen Geometrien aufzeigt.