Netzgitterträger aus Carbonfasern
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Hohlträger mit textiler Netzgitterbewehrung
Mit 3D-Textilgitterbewehrung bewehrter Hohlträger unter 4-Punkt-Biegebelastung
Ziel des Projekts war die Entwicklung eines textilen 3D-Netzgitterträger-Bewehrungselements für vorgefertigte Hohlkörperdecken- und -wandelemente.
Zunächst wurde eine 2D-Bewehrung entwickelt, die die Grundlage für die 3D-Bewehrungsstruktur bilden sollte. Bei der 2D-Bewehrung handelt es sich um eine durchgehende textile, netzförmige, nicht gerippte Bewehrungsstruktur, die aus mehreren diagonalen und zueinander versetzten Carbonfaserrovings besteht. Diese netzförmigen Textilien werden dann durch ein spezielles Formgebungs- und Fixierungsverfahren zu dem 3D-Bewehrungselement verarbeitet. Die 2D-Bewehrung dient als Biegebewehrung, wenn sie horizontal angeordnet ist, und als Schubbewehrung, wenn sie vertikal in einem Trägerelement angeordnet ist. Die 3D-Bewehrungsstruktur dient sowohl als Zug- als auch als Schubbewehrung in einer einzigen Konfiguration.
In der ersten Phase des Projekts stand die Entwicklung der Bewehrungsstruktur im Vordergrund. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften experimentell in Zug-, Knick- und Garnauszugversuchen bewertet, um einen Optimierungsprozess zu ermöglichen. In der zweiten Phase des Projekts lag der Schwerpunkt auf der baustatischen Auslegung des Netzgitterträgers und der Untersuchung des charakteristischen Materialverhaltens von Probekörpern, die mit der 2D-Bewehrungsstruktur bewehrt wurden. Dies beinhaltete unter anderem die Festlegung der Anordnung und Neigung der diagonal versetzten Rovings. In Zugversuchen konnte zudem gezeigt werden, dass eine Erhöhung der Anzahl sich überlappender Längsrovings die maximale Zugtragfähigkeit verbessert.
In der letzten Projektphase wurden Probekörper, die Ausschnitte eines biegebeanspruchten Tragwerks wie z. B. einer Deckenplatte darstellen, in Biegeversuchen experimentell untersucht. Es wurden sowohl 3-Punkt- als auch 4-Punkt-Biegeversuche durchgeführt, die eine ausgezeichnete Momententragfähigkeit ergaben. Die Versuchsergebnisse wurden mittels numerischer Simulationen des 3D-bewehrten Trägers nachgerechnet und somit bestätigt.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Textile Netzgitterträger für Halbfertigteile
Verlauf der Carbonfasern im 2D-Netzgitterträger
Stahlbeton-Halbfertigteile wie Elementdecken und -wände ermöglichen im Bauwesen einen schnellen Baufortschritt bei geringem Schalungsaufwand. Die Korrosionsanfälligkeit von Betonstahl verhindert jedoch innovative Baukonstruktionen in ressourcenschonender Hohlkörperbauweise. Im Gegensatz zu herkömmlicher Stahlbewehrung bietet die Verwendung textiler, korrosionsunempfindlicher Bewehrungsmaterialien bspw. aus Carbonfasern das Potential zu wirtschaftlichen und ressourcensparenden Konstruktionen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird daher angestrebt, die in Halbfertigteildeckenplatten bisher verwendeten Stahlgitterträger durch dreidimensionale Netzgitterträger aus Carbonfasern zu ersetzen.
Dazu werden im Projekt zunächst die Anforderungen an die textile Struktur der Netzgitterträger hinsichtlich erforderlicher Durchmesser, Garnabstände und Geometrien festgelegt. Um die Begehbarkeit während der Montage sicherzustellen, ist eine ausreichende Druckstabilität zu gewährleisten. Dies wird erreicht, indem die Netzgitterträger bereits im Fertigteilwerk mit Beton ummantelt werden. Zur Charakterisierung der textilphysikalischen Eigenschaften der Carbonfaserstränge (Rovings) werden Zug- und Knickversuche durchgeführt, wohingegen die Verbundtragfähigkeit im Beton durch Ausziehversuche an umgelenkt einbetonierten Garnen charakterisiert wird. Die ermittelten Kennwerte dienen als Eingangswerte für ein Simulationsmodell zur numerischen Berechnung der Netzgitterträger im weiteren Projektverlauf.
Darüber hinaus sind im Rahmen dieses Projekts Biegeversuche an zweidimensionalen Netzgitterstrukturen vorgesehen. Ziel dieser Versuche ist, die Biegetragfähigkeit der Netzgitterstrukturen und deren Verbundtragfähigkeit im Beton zu ermitteln. Die Ergebnisse der Untersuchungen tragen zur Validierung des entwickelten FE-Modells bei.
Darauf aufbauend werden dreidimensional umgeformte textile Netzgitterträger bautechnisch erprobt. Dazu wird ein Demonstrator eines Deckenelements mit textilen Netzgitterträgern und Hohlräumen gefertigt und dessen Tragfähigkeit in einem Biegeversuch experimentell ermittelt. Diese Untersuchungen dienen als Grundlage für einen abschließenden Vergleich der Leistungsfähigkeit der neuen textilbewehrten Halbfertigteile und der konventionellen Stahlbeton-Halbfertigteile.
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Netzgitterträger aus Carbonfasern
Textiler Netzgitterträger
Stahlbeton-Filigranfertigteile (FFT) haben sich im Bauwesen als Halbzeuge für massive Wände und Decken etabliert, um einen schnellen Baufortschritt in Verbindung mit einem geringen Schalungsaufwand zu erreichen. Durch die vorteilhafte Werksfertigung wird eine sehr gute und einheitliche Qualität dieser FFT erreicht, die in Ortbeton nur mit einem größeren Aufwand zu realisieren ist. Idealerweise enthalten die FFT bereits die gesamte, für den Endzustand erforderliche, Bewehrung. Der Einsatz von Stahlgitterträgern stellt dabei eine am Markt etablierte, bewährte Technologie zur Fertigung von FFT dar. Die Korrosionsanfälligkeit von Betonstahl sowie die hohen Transportkosten verhindern jedoch innovative Baukonstruktionen in ressourcensparender Sandwich- bzw. Hohlkörperbauweise.
Im Vergleich zu herkömmlicher Stahlbewehrung bietet die Verwendung textiler, korrosionsunempfindlicher Bewehrungsmaterialien das Potential zu wirtschaftlichen und ressourcensparenden Konstruktionen. Durch den vollständigen Ersatz der Stahlbewehrung durch Carbonfaserbewehrung können so beispielweise Halbfertigteil-Deckenplatten – bei gleichzeitig sehr hoher Tragfähigkeit – dünner und mit Hohlräumen ausgeführt werden. Damit steigen die Nutzungsmöglichkeiten für Installationen.
Im Rahmen dieses Projekts wird daher angestrebt die in Halbfertigteil-Deckenplatten bisher verwendeten Stahlgitterträger durch dreidimensionale Netzgitterträger aus Carbonfasern zu ersetzen. Dabei müssen die Netzgitterträger sowohl die erforderliche Bewehrung für den Einsatz und das Handling der neuartigen Halbfertigteil-Deckenplatten sicherstellen, als auch einen Teil der Biegebewehrung der Deckenplatte bilden. Um die notwendige Druckstabilität, welche die Begehbarkeit während der Montage sicherstellt, zu erreichen, werden daher neuartige, schubsteife Elemente verlangt. Ziel des Vorhabens ist somit die Entwicklung von textilen 3D Netzgitterträgern aus Carbonbewehrung sowie deren Fertigungstechnologie für den großindustriellen Einsatz in neuartigen Halbfertigteil-Deckenplatten mit integrierten, großvolumigen Hohlräumen.