http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png

Analysis of Prestressed Sandwich Panels with Ultra-High Performance Concrete Facings = Untersuchungen von vorgespannten Sandwichelementen mit Deckschichten aus Ultra-Hochfestem Beton

Stark, Alexander Peter^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Peter Bastian Stark

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (vii, 169, A-17, B-6, C-19, D-41, E-10 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hegger, Josef (Thesis advisor) ; Mark, Peter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-08-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-08279
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/699418/files/699418.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
fibre-reinfroced concrete (frei) ; prestressed concrete (frei) ; sandwich construction (frei) ; ultra-high performance concrete (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Sandwichelemente sind besonders geeignet, um effiziente Gebäudehüllen bereitzustellen, die gleichzeitig mehrere Anforderungen erfüllen. Neben niedrigem Eigengewicht bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit, bieten Sandwichbauteile zum Beispiel ausreichende bauphysikalische Eigenschaften, wie Wärme- und Schalldämmung. Im Allgemeinen werden Sandwichelemente im Bauwesen mit dünnen, ebenen oder profilierten Metalldeckschichten oder mit dicken Betondeckschichten hergestellt. Bauteile ohne zusätzliche Unterkonstruktionen sind jedoch auf kurze Spannweiten begrenzt. Im Gegensatz dazu, bieten räumliche Betonkonstruktionen, wie gefaltete oder gekrümmte Querschnitte, auch bei geringen Bauteildicken hohe Steifigkeiten und Tragfähigkeiten.Die Anwendung von gefalteten oder gekrümmten Schalenträgern auf die Sandwichbauweise vereint die Vorteile beider Konstruktionsmethoden, sodass leichte Bauteile mit großen Spannweiten und hohen Tragfähigkeiten ermöglicht werden. Um dünne Betondeckschichten mit verschiedenen Geometrien zu realisieren, sind Hochleistungsbetone vorteilhaft. Ultra-hochfester Faserbeton (UHPFRC) bietet gleichzeitig hohe Druck- und Zugfestigkeiten sowie eine ausreichende Verformungsfähigkeit. Die Verwendung von nicht-korrodierender Bewehrung aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) ermöglicht es, filigrane Betonelemente mit geringen Betondeckungen herzustellen, die nur die Verbundanforderungen erfüllen müssen. Bei Sandwichelementen mit gefalteten oder gekrümmten Deckschichten sind neue Fertigungsverfahren erforderlich, um beliebige Querschnitte zu ermöglichen und hohe Verbundfestigkeiten zwischen den Deckschichten und dem Kernmaterial sicherzustellen.In dieser Arbeit wird die Entwicklung innovativer Sandwichbauteile schrittweise beschrieben. Die Materialien und die daraus zusammengesetzten Kompositbauteile werden mit experimentellen und numerischen Untersuchungen analysiert. Unterstützt werden diese Untersuchungen durch theoretische Modelle. Unter anderem wird die Zugfestigkeit des UHPFRC aus Biegeversuchen mit Hilfe von abgeleiteten Momenten-Krümmungsbeziehungen bestimmt und anschließend UHPFRC-Bauteile mit CFK-Vorspannung näher betrachtet. Zur Ermittlung von Verbundfestigkeiten, Übertragungslängen und Mindestabmessungen von dünnen UHPFRC-Elementen werden Verbunduntersuchungen an vorgespannter CFK-Bewehrung durchgeführt. Hieraus leiten sich die erforderlichen Dicken der gefalteten und doppelt-gekrümmten UHPFRC-Deckschichten ab. Aus Untersuchungen an kleinformatigen Sandwichquerschnitten unter Zug- und Schubbelastung werden Steifigkeiten und Festigkeiten des Kernmaterials sowie der Verbindungsmittel für theoretische Modelle und numerische Simulationen abgeleitet. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird das Trag- und Verformungsverhalten von gefalteten und doppelt-gekrümmten Sandwichbauteilen untersucht. Anschließend wird ein analytisches Modell auf Basis der Sandwichtheorie abgeleitet, das die Rissbildung von mit CFK vorgespannten UHPFRC-Deckschichten berücksichtigt.

Sandwich-structured composites represent an efficient method to establish building envelopes which concurrently satisfy several demands. Besides low self-weight with high load-bearing capacity, sandwich panels provide sufficient physical properties, such as heat and sound insulation. In general, sandwich panels for applications in building industry are made of flat or thin profiled metal sheets or thick concrete facings. However, standard elements without additional bearing structures are limited to short spans. In contrast, spatially shaped concrete structures with folded plate or curved geometry provide high stiffness and load-carrying capacity even for thin elements.The application of folded plate and curved concrete structures to sandwich panels combines the advantages of both construction methods enabling light elements with long spans and high load-carrying capacities. To realise thin facings in various shapes, high performance cementitious composites are advantageous. Ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) provides high compressive and tensile strengths with ductile material behaviour. The application of non-corrosive reinforcement, e.g. carbon fibre reinforced polymer (CFRP), allows for filigree concrete elements with a thin concrete cover to only fulfil bond requirements. For sandwich panels with folded plate or curved facings, new production methods are necessary to account for cross-sections in various shapes as well as high bond strengths between UHPFRC facings and core material.This thesis introduces the stepwise development of innovative sandwich panels. Materials and interactions of different components are investigated by experimental testing and numerical modelling. Theoretical considerations are conducted to determine the tensile strength of UHPFRC from flexural testing. Additionally, approaches to calculate moment-curvature relationships of UHPFRC sections with CFRP reinforcement are derived and applied to further theoretical investigations. Subsequently, input parameters for non-linear numerical simulations are deduced. To determine bond strengths, transfer lengths and minimum dimensions of thin UHPFRC elements, investigations on the bond behaviour of prestressed elements with CFRP reinforcement are conducted. Thus, dimensions of folded plate and doubly curved UHPFRC elements are identified. Investigations on small-scale sandwich sections under tensile and shear loading are performed to specify stiffness and strength of the core material and shear connectors. This serves as a basis for further theoretical approaches and numerical modelling. Based on the previous findings, the flexural behaviour of folded plate and doubly curved sandwich panels is investigated. Finally, an analytical model for sandwich panels is proposed which accounts for cracking of prestressed UHPRC facings with CFRP tendons.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019456753

Interne Identnummern
RWTH-2017-08279
Datensatz-ID: 699418

Beteiligte Länder
Germany