Long-term durability of carbon reinforced concrete

Spelter, Arne; Ricker, Marcus; Hegger, Josef

doi:10.18154/RWTH-2023-06350

Long-term durability of carbon reinforced concrete = Dauerstandverhalten von Carbonbeton

Spelter, Arne^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Arne Karl Ardo Spelter

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hegger, Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Ricker, Marcus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-12-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06350
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/960708/files/960708.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FRP (frei) ; carbon reinforced concrete (frei) ; long-term durability (frei) ; probabilistic (frei) ; reliability analyses (frei) ; testing concept (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Nichtmetallische Bewehrungen aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) finden im Bauwesen eine immer breitere Anwendung. Das hochinnovative Material, das meist in Gitter- oder Stabform eingesetzt wird, zeichnet sich durch eine hohe Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Diese nichtkorrosiven Eigenschaften der Bewehrung, meist bestehend aus Carbon- oder Glasfilamenten und einer Polymermatrix, ermöglichen es, die Betondeckung gegenüber typischen Stahlbetonbauteilen deutlich zu reduzieren. Die stetige Weiterentwicklung von nichtmetallischen Bewehrungsprodukten wird eindrucksvoll durch eine Vielzahl an Bauprojekten, wie Brücken für den Fuß- und Rad- sowie Straßenverkehr, demonstrativ dargelegt. Bei der Bemessung von FVK-bewehrten Bauteilen kommt der Langzeitzugfestigkeit der Bewehrungsprodukte eine entscheidende Bedeutung zu. Durch variierende Materialien und den daraus resultierenden Kennwerten einzelner Bewehrungsprodukte ist eine allgemeine Ableitung des Langzeitverhaltens nicht möglich. Ein weiteres Problem besteht in den fehlenden standardisierten Bemessungsansätzen und Prüfverfahren, die eine weitreichendere Anwendung von FVK-Bewehrungen ermöglichen. Wesentlicher Fokus dieser Arbeit war daher die Untersuchung des Dauerstandverhaltens einer FVK-Bewehrung mit Carbonfasern (CFVK) sowie die Entwicklung von Prüfkonzepten zur Ermittlung der Dauerstandfestigkeit von FVK-Gitterbewehrungen. In dieser Arbeit wurden dazu Dauerstandzugversuche an Dehnkörpern mit einer epoxidharzgetränkten CFVK-Bewehrung in bis zu 60 °C temperiertem Wasser durchgeführt. Dabei konnten selbst nach Versuchslaufzeiten von über 12.000 Stunden keine Festigkeitsverluste in den anschließenden Resttragfähigkeitsversuchen festgestellt werden. Basierend auf Prüfkonzepten aus der Literatur sowie den Erkenntnissen aus den eigenen experimentellen Untersuchungen wurden zwei Prüfkonzepte zur Ermittlung des Dauerstandverhaltens von FVK-Bewehrungen nach einer Nutzungsdauer von bis zu 100 Jahren abgeleitet. Das erste Konzept folgt dabei einem "time-to-failure" Ansatz, bei dem infolge konstant hoher Beanspruchung ein Versagen der Bewehrung eintritt. Das zweite Konzept sieht mit einem „residual capacity“ Ansatz die Prüfung von Resttragfähigkeiten nach vorgegebenen Prüfzeiten vor, wenn kein Versagen infolge konstant hoher Spannung erfolgt. Abschließend wurden Zuverlässigkeitsanalysen an FVK-bewehrten, einachsig-gespannten Platten durchgeführt. Mit der First Order Reliability Method und der einfachen Monte Carlo Methode konnte der Einfluss der zeitabhängigen Festigkeitsentwicklung von FVK-Bewehrungen berücksichtigt und die positive Auswirkung auf die operative Versagenswahrscheinlichkeit im betrachteten Zeitraum aufgezeigt werden.

Nonmetallic reinforcements made of fiber-reinforced plastic (FRP) become more and more important in the construction industry. The highly innovative material, mostly used in grid or bar form, is characterized by high tensile strength along with high durability. The noncorrosive properties of the reinforcements made of carbon or glass filaments and a polymer matrix enable a significant reduction of the concrete cover compared to conventionally reinforced components. The ongoing developments in FRP reinforcements are impressively demonstrated by the large number of realized projects, including bridges for pedestrians and cyclists as well as road traffic. The long-term durability of tensile strength is of fundamental importance in the design of FRP-reinforced structural components. Since varying materials and resulting characteristics of individual reinforcement products complicate a general derivation of the long-term behavior, neither standardized design approaches nor test methods allowing for a more extensive application of FRP reinforcement are yet available. Therefore, this work focused on the investigation of the long-term durability behavior of carbon FRP (CFRP) grids as well as the development of testing concepts to determine the long-term durability strength of FRP grids.In this work, long-term durability tensile tests in tempered water at up to 60 °C were carried out on carbon-reinforced concrete (CRC) tensile specimens with an epoxy resin-impregnated CFRP reinforcement. Even after test durations of over 12,000 hours, no loss of strength was observed in the subsequent residual capacity tests.Available testing concepts from the literature and the findings of the experimental investigations were used for developing two testing concepts for the determination of the long-term durability strength of FRP after a service life of up to 100 years. The first concept follows the "time-to-failure" concept assuming that failure of the reinforcement occurs as a result of high constant loading, whereby the second concept is based on the "residual capacity" concept, where the residual capacity of the specimen is tested after a specified test duration, provided that no failure occurs due to high constant loading.Finally, reliability analyses were performed on FRP-reinforced one-way slabs. Using the First Order Reliability method (FORM) and "crude" Monte Carlo method, the influence of the time-dependent tensile strength of FRP reinforcements was taken into account and the positive influence on the reliability of FRP reinforced components was evaluated.

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