C3-V4.2-VI: Kompakte Verankerungselemente für verbundlose Vorspannung
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title TP C3-4.2-VI: Entwicklung kompakter Verankerungselemente für Spannverfahren ohne Verbund im Verbundvorhaben C3-V4.2 Vorgespannter Carbonbeton für Straßenbrücken und Flächentragwerke | TP C3-4.2-VI: Development of compact anchorages for unbonded tendons as part of the joint research project C3-V4.2 Pre-stressed carbon concrete for road bridges and shell structures Förderer | Funding Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Projektträger: PT Jülich / C³ – Carbon Concrete Composite Zeitraum | Period 05.2016 – 04.2019 Teilprojektleiter | Subproject manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter | Contributor Dipl.-Ing. Oliver Steinbock Projektpartner | Project partners FG Entwerfen und Konstruieren – Massivbau TU Berlin (Verbundkoordinator) | Hentschke Bau GmbH, Bautzen | Dywidag-Systems International, Unterschleissheim| SGL Carbon GmbH, Meitingen | sbp, Stuttgart | GINKGO Projektentwicklung GmbH, Dresden | solidian GmbH, Albstadt | Ingenieurbüro KORDES+ZIEGENHORN Partner, Dresden (assoziierter Partner) | Ingenieurbüro Prof. Dr.-Ing. Roland Fink, Radebeul (assoziierter Partner) |
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
SPANNSYSTEM MIT CFK-LAMELLEN
Untersicht auf vorgespanntes Deckenelement mit extern verlegten CFK-Lamellen
In jüngerer Vergangenheit konnte besonders im Brückenbau ein Trend weg von der Vorspannung im Verbund hin zu Tragwerken ohne Verbund beobachtet werden. Grund hierfür ist vornehmlich die größere Flexibilität. So bieten Spannsysteme ohne Verbund grundsätzlich die Möglichkeit des Austauschens, des Nachspannens und des nachträglichen Verstärkens. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Verankerungselemente, denen aufgrund des fehlenden Verbunds eine besondere Bedeutung zukommt, diese Anforderungen ebenfalls erfüllen. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen des Verbundprojekts C3-V4.2 ein kompaktes Spannsystem entwickelt, welches sich an bestehenden Systemen ohne Verbund für Spannstahllitzen orientiert und damit sowohl im Hochbau als auch für die Quervorspannung im Brückenbau verwendet werden kann.
Letztlich wurde ein modulares Ankersystem mit dem Prinzip einer Reib-Klemm-Verankerung entwickelt. Das Ankersystem setzt sich aus Spannblechen mit verschieden gehobelten Oberflächen zusammen, die wiederrum über eine gezielte Vorspannung von Schrauben die CFK-Lamellen einspannen. Die Kombination aus abgestufter Vorspannung und Oberflächenbearbeitung im Ankerbereich ermöglicht eine nahezu gleichmäßige Lasteinleitung bei vergleichsweise geringer Verankerungslänge.
Vorspannvorgang mit temporären Ankerkörpern am Deckenelement
In Zusammenarbeit mit dem Projekt C3-V1.5 „Abbruch, Rückbau und Recycling von C³-Bauteilen“ konnte das Spannsystem nicht nur in kleinteiligen Versuchen, sondern auch am Deckenelement auf dessen Praxistauglichkeit untersucht werden. Das Deckenelement setzt sich aus Druckbogen und Zugsteg zusammen und greift als Vorbild die Idee der sog. Möller-Träger wieder auf. Der im Vergleich zu einer konventionellen Flachdecke stark ausgedünnte und ohne jegliche Querkraftbewehrung bewehrte Querschnitt erreicht nur in Verbindung mit einer Vorspannung die im Hochbau üblichen Durchbiegungsanforderungen. Das Prinzip der Reib-Klemm-Verankerung wurde sowohl für den temporären Vorspannvorgang selbst, als auch für die dauerhafte Verankerung im Bauteil selbst angewendet.
Nach einem erfolgreichen ersten Belastungsversuch bis zum Bruch, mit dem Versagen der Lamellen auf freier Länge, wurde erneut eine Lamelle eingebaut und anschließend einer Dauerbeanspruchung sowie einer erneuter Belastung bis zum Versagen unterzogen. Es konnten weder negative Auswirkungen einer erneuten Verwendung der Ankerkörper noch ein Rutschen der Lamellen bei Dauerbeanspruchung festgestellt werden, sodass die angestrebten Ziele erreicht werden konnten.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
CARBONZUGGLIEDER – DIE SPANNUNG STEIGT
CFK-Lamellen nach erfolgter Reibungskoeffizient-Prüfung
Der Siegeszug des Spannbetons begann nach der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts und damit mehrere Jahrzehnte nach der Etablierung des Stahlbetonbaus. Zwar gab es schon früh Bestrebungen, den Beton vorzuspannen, jedoch scheiterte dieses Vorhaben an zu geringen Stahlfestigkeiten bzw. erreichbaren Vorspanngraden, sodass die Vorspannung letztlich durch das Kriechen und Schwinden des Betons verloren ging. Heute liegen uns hochfeste Zugelemente aus CFK-Fasern vor, sodass es nahe liegt, den Carbonbeton auch vorzuspannen. Hier setzt das Teilprojekt zur Entwicklung kompakter Verankerungselemente an, welches Teil des Verbundprojekts C3-V4.2 – Vorgespannter Carbonbeton für Straßenbrücken und Flächentragwerke – ist, bei dem die gesamte Bandbreite des vorgespannten Carbonbetons untersucht wird.
Die besondere Herausforderung bei der Verankerung von Carbonzugelementen liegt hierbei in der Querdruckempfindlichkeit der Zugelemente selbst. Die Empfindlichkeit der Bauteile erfordert daher besondere Überlegungen bezüglich der Möglichkeiten der Verankerung, welche durch zusätzliche Anforderungen an das Verankerungssystem, wie Nachspannbarkeit, Austauschbarkeit und Wiederverwendbarkeit, noch anspruchsvoller werden.
Aufgrund dessen wurde eine kombinierte Reib-Klemm-Verankerung entwickelt. Gegenüber am Markt vorhandenen Systemen erfolgt die Lasteinleitung hier über eine gezielte Vorspannung von Schraubenpaaren, die in Verbindung mit einer variablen Oberflächenrauigkeit einen gleichmäßigen Lastabtrag ermöglicht. Ein Versagen im Verankerungsbereich soll somit vermieden werden. Numerische Untersuchungen lieferten aussichtsreiche Ergebnisse und sollen im weiteren Projektverlauf an Versuchen verifiziert werden. Als Zugelement wurden CFK-Lamellen gewählt, da sich diese hinsichtlich lokaler Spannungsspitzen, wie sie sich z. B. bei geklemmten Litzen ergeben würden, als vorteilhaft erwiesen. Weiterhin können die CFK-Lamellen einfacher als runde Querschnitte gestapelt werden, sodass eine spätere Nutzungsänderung durch das Ergänzen einer Lamelle einfach umgesetzt werden kann.
Das System ist als Vorspannung ohne Verbund konzipiert und soll überwiegend im Hochbau zum Einsatz kommen. In diesem Zusammenhang wurde ein entsprechendes formoptimiertes Deckensystem entwickelt, das zeitnah auch experimentell untersucht wird. Es bleibt also spannend.
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
Sicherer Rückhalt für Carbon-Spannglieder ohne Verbund
Modellierung einer am Markt erhältlichen konisch segmentierten Vergussverankerung für Carbonzugglieder
Carbonzugglieder sind bereits bei einigen Pilotprojekten weltweit in der Anwendung. Vor allem bei Brückentragwerken oder der Instandsetzung kamen sie bereits zum Einsatz. Bedingt durch die hohen Kräfte in den Spanngliedern und die Querdruckempfindlichkeit des Materials ist der Platzbedarf für die Verankerungselemente relativ groß. Hier setzt das Forschungsprojekt zur Entwicklung von kompakten Verankerungselementen für Zugglieder mit kleineren Querschnitten an. Die Festlegung auf Carbonspannglieder ohne Verbund bringt sowohl Vorteile bei der Nachhaltigkeit (Austauschbarkeit), als auch bei der Anwendung. Die kompakte Ausführung soll das Spannsystem in der späteren praktischen Anwendung als Quervorspannung von Brückenüberbauten, aber auch für die Vorspannung im Hochbau anwendbar machen. Während die Vorspannung beim Brückenbau vornehmlich der Rissbreitenbegrenzung dient, sollen im Hochbau in erster Linie die Verformungen des Tragwerks reduziert werden.
In diesem Jahr standen die Grundlagenermittlung und die sich daraus ergebenden Randbedingungen im Vordergrund. Bei der materialunabhängigen Betrachtung von am Markt erhältlichen Spannsystemen zeigte sich, dass konventionelle Stahlspannglieder ohne Verbund und mit kleinem Querschnitt fast ausschließlich in Form von Monolitzen verwendet werden, die in Hüllrohren gestapelt werden können. Verankert werden die Monolitzen häufig mit Keilen. Verankerungen über Umlenkungen, Verbund, aufgestauchte Köpfchen oder Gewinde und Muffen sind heute unüblich. Vorteilhaft bei Stahlspanngliedern ist, dass das Material konzentrierte Lasteinleitungen bzw. Spannungsspitzen, wie sie bei diesen üblichen Systemen auftreten, verzeiht.
Bei Carbonzuggliedern zeigte sich eine noch größere Vielfalt bei den Zugelementen. Neben Carbonlamellen und -litzen sind am Markt Stäbe, Gelege und Strangschlaufen vorhanden. Die Formen der Spannglieder selbst als auch ihrer Verankerungen orientieren sich stark am Stahlspannglied. Die Lösungen sind jedoch aufgrund der anderen Materialeigenschaften des Carbons nur bedingt übertragbar. Deshalb ist ein neuer ganzheitlicher Ansatz notwendig, der sowohl die Form des Spannglieds und seiner zugehörigen Verankerung als auch die Anforderungen als Spannglied im Bauwesen berücksichtigt. Die Entwicklung kompakter Verankerungselemente ist Teil des Verbundprojekts C3-V4.2 – Vorgespannter Carbonbeton für Straßenbrücken und Flächentragwerke –, bei dem die gesamte Bandbreite des vorgespannten Carbonbetons untersucht wird.