Load-bearing behaviour of functionally graded steel fibre reinforced concrete beams

Autor: Matthias Fischer
Sprache: Englisch

Kurzfassung

Reduzierter Arbeitsaufwand für das Verlegen von konventioneller Stahlbewehrung, geringerer Verbrauch von konventioneller Bewehrung und Formfreiheit bezüglich der Gestaltung von Betonbauteilen sind Vorteile, welche die Verwendung von Stahlfaserbeton für tragende Bauteile mit sich bringen würde. Trotz vieler Forschungsprojekte seit den frühen 1960er Jahren, hat sich Stahlfaserbeton für tragende Bauteile nicht durchgesetzt. Mangelndes Verständnis des Tragverhaltens von Stahlfaserbeton, hauptsächlich nach der Rissbildung, scheint der wichtigste hindernde Faktor zu sein. Aus diesem Grund wird in dieser Masterarbeit das Tragverhalten von Stahlfaserbeton untersucht und bewertet. Vierpunktbiegeprüfungen von funktionell abgestuften, stahlfaserbewehrten Trägern wurden zu diesem Zweck durchgeführt. Die obere, druckbeanspruchte Schicht der Prüfkörper besteht aus nicht bewehrtem, konventionellem Beton. Die untere, zugbeanspruchte Schicht enthält Dramix® 5D 65/60 Stahlfasern, welche die Biegezugfestigkeit erhöhen sollen. Prüfkörper mit unterschiedlichen Stahlfaserbetonschichthöhen mit jeweils verschiedenen Fasergehalten und Betonmischungen wurden getestet. Neben ausschliesslich stahlfaserbewehrten Trägern wurde ein Prüfkörper mit kombinierter Bewehrung (Stahlfaserbewehrung und konventionelle Stahlbewehrung) geprüft. Verfestigendes Tragverhalten soll durch verankerte und fliessende Stahlfasern in den Rissen (Fasern werden nicht ausgezogen und kein Betonversagen im Verankerungsbereich) ermöglicht werden. Die ersten Testresultate haben gezeigt, dass die Verankerung der Stahlfasern aufgrund Betonversagens im Verankerungsbereich jedoch das Hauptproblem darstellt. Für die weiteren Prüfkörper wurden daher Stahlfaserbetone verwendet, die zusätzlich mit Mikrostahlfasern (Dramix® OL 13/.16 Fasern) ergänzt wurden. Diese Mikrofasern sollen die Betonmatrix festigen und daher die Verankerungskapazität erhöhen. Erhöhte Biegewiderstände und verbessertes duktiles und verfestigendes Verhalten wurden dadurch für die restlichen Prüfkörper erzielt. Eine volle Verankerung der Fasern wurde jedoch auch hier nicht erreicht. Ausreichende Duktilität und verfestigendes Verhalten auf höchstem Niveau stellen die Schwachpunkte bei der Verwendung von Stahlfaserbeton für tragende Bauteile dar. Konventionelle Bewehrung kombiniert mit Stahlfaserbeton scheint jedoch zum gewünschten Tragverhalten zu führen. Die Testresultate bestätigen, dass diese Kombination eine angebrachte Bewehrungsstrategie darstellt, um sichere und zuverlässige Tragelemente zu bauen. Im analytischen Teil dieser Arbeit werden Überlegungen zum Verankerungsverhalten von Stahlfasern im Beton und zum Spannungsaufbau in der faserumgebenden Betonmatrix präsentiert. Ein simpler Ansatz zur Abschätzung der Verankerungskapazität von Stahlfasern wurde erarbeitet. Die Entwicklung eines präzisen, mechanischen Modells, welches die Abschätzung der Spannungsentwicklung in der Betonmatrix aufgrund ansteigender Faserspannungen von zufällig orientierten und überlappenden Fasern erlaubt, kristallisiert sich als nächster wichtiger Forschungsschwerpunkt betreffend der Anwendbarkeit von verfestigendem Stahlfaserbeton für tragende Bauteile heraus. Die Abschätzung von Rissabständen und effiziente Veränderungen der Stahlfasern und der Betonmatrix mit dem Ziel, volle Verankerung der Faser zu erreichen, könnten dadurch vorgenommen werden.