Global and local analysis of UHPFRC lap splices with refined distributed optical measurements
Autor: Joas Wyss
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB, engl. UHPFRC) ist ein zementöses Material mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und beigesetzten Stahlfasern. Wegen der hohen Verbundfestigkeit des UHFB kann die Länge von Übergreifungsstössen je nach Norm 6 - 15 db betragen, wobei db der Durchmesser der gestossenen Stäbe ist. Die Stosslänge ist somit drei bis acht Mal kleiner als in normalfestem Beton (NB). Übergreifungsstösse aus UHFB haben ein grosses Potential bei der monolithischen Verbindung von vorfabrizierten Betonelementen, weil sie eine Verkleinerung der Stosslänge erlauben. Sie werden in den USA seit einigen Jahren für den beschleunigten Brückenbau eingesetzt.
Frühere Studien zu Übergreifungsstössen aus UHFB untersuchten hauptsächlich das globale mechanische Verhalten der Stösse. Die vorliegende Arbeit analysiert das lokale Verhalten im Stoss und die Auswirkungen auf das globale Last-Verformungsverhalten von vier Biegebalken (drei Versuchskörper aus UHFB, wobei zwei mit Stössen und einer ohne, sowie ein Versuchskörper aus NB ohne Fasern) mithilfe innovativer Messsysteme. Dazu wurden Vier-Punkt-Biegeversuche instrumentiert mit faseroptischen Sensoren und digitaler Bildkorrelation durchgeführt. Erstere erlaubten es, die Dehnungen, Spannungen und Verbundspannungen, letztere das Last-Verformungsverhalten und die Risskinematik zu ermitteln.
Die Versuche an den Biegebalken zeigten, dass mit einer Stosslänge von 10 db die Biegebewehrung ins Fliessen kam, wobei die ganze Stosslänge zur Übertragung der Kräfte von einem Stab zum anderen notwendig war und sich der massgebende Riss im Stoss öffnete. Mit einer Stosslänge von 20 db war nicht die ganze Stosslänge für die Übertragung der Kräfte nötig. Beide Versuchskörper (Stosslängen 10 db und 20 db) wiesen dieselbe Traglast und dasselbe Last-Verformungsverhalten unabhängig der gewählten Stosslängen auf. Im Vergleich mit einem Versuchskörper ohne Übergreifungsstoss hatten die gestossenen Versuchskörper eine erhöhte Steifigkeit wegen des erhöhten Bewehrungsgehalts im Stoss und eine ca. 5% tiefere Traglast. Die Verringerung der Traglast ist entweder durch die erhöhte Steifigkeit oder grössere Rissweiten bedingt. Der Vergleich zwischen UHFB und NB ohne Fasern zeigte für den UHFB-Versuchskörper kleinere Rissweiten bis zur Traglast und kleinere Rissabstände. Im Falle von Bauteilen aus UHFB ist eine Laststeigerung über den Fliessbeginn der schlaffen Bewehrung nur dank Fasern möglich, wodurch jedoch mehr und mehr Fasern im schwächsten Querschnitt ausgezogen werden und eine Verformungslokalisierung ausgelöst wird.
Zum Studium des lokalen und globalen Verhaltens eines Biegebalkens ist die Verteilung der Faserspannungen am Riss für eine Querschnittsanalyse zu bestimmen. Im vorliegenden Fall wurde bis zur Traglast eine dreieckförmig verteilte Spannung über die ganze Zugzonenhöhe angenommen, die bessere Resultate lieferte als die oftmals angenommene rechteckförmige Verteilung, die in diesem Fall gar zu unsicheren Resultate führte.
Basierend auf dieser analytischen Herangehensweise konnte das Last-Verformungsverhalten der Versuchskörper mit ungestossener Bewehrung relativ genau beschreiben werden. Zur Integration des Übergreifungsstoss in das Modell wären weitere Untersuchungen des Verbundverhaltens von UHFB nötig. Die Auswirkung der Fasern auf das Verbundverhalten wurde bisher noch nicht mechanisch konsistent beschrieben.
