Entwerfen und Konstruieren - Massivbau

Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK)

Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Leichtbauwerkstoff, der sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auszeichnet. Durch die Anordnung der Fasern innerhalb einer Kunststoffmatrix kann das zu entwerfende CFK-Bauteil exakt dem Kraftfluss angepasst werden. Das Forschungsprojekt befasst sich mit der materialgerechten Anwendung von CFK im Bauwesen, insbesondere für seilverspannte Leichtbaukonstruktionen wie Seilbrücken, Dächer und Fassaden.

Vorgespannte Carbonbetondecken mit reduzierten Querschnitten (CaPreFloor)

Ziel des hier vorgeschlagenen Projektes CaPreFloor ist nicht weniger als eine Revolution im Hochbau, näm-lich den weltweiten Standard, die massiven Stahlbetondecken im Büro-, Wohnungs- und Hotelbau durch leichte, aber steife mit Carbon vorgespannte Deckensysteme zu ersetzen.
Wir sind überzeugt, dass die üblicherweise 30 cm starken Betondecken im Massivbau wirklich überall durch leichte, nicht korrosionsgefährdete Flächentragwerke – mit Carbon vorgespannte Betonelemente – auf ma-ximal (je nach Elementtyp) 10 cm reduziert werden können und so ein wirklicher und messbarer Beitrag zur Ressourcenschonung und zur Reduktion der CO2-Emissionen geleistet werden kann. Der Schwerpunkt soll auf vorgefertigten Deckenelementen liegen, weil geringere Abfallmengen bei der Herstellung, leichterer Rückbau und bessere Wiederverwendbarkeit das Nachhaltigkeitspotential der Bauweise deutlich erhöhen werden. Erfolgreicher Leichtbau beruht den Prinzipien von kleinen Spannweiten, Vermeidung von Biegung, hoher Reißlänge der verwendeten Werkstoffe, Vorspannung und doppelter Krümmung. 

Durch das Vorhaben werden nicht nur offene Fragestellungen auf der Bauteilebene beantwortet, sondern auch Anlagentechnologien entwickelt, um Carbongelege für eine Bauteilherstellung zu konfektionieren und die Herstellung von Bauteilen im Betonfertigteilwerk zu automatisieren.

FördermittelgeberIn: TTP Leichtbau
Laufzeit: 2023 - 2026
AnsprechpartnerIn: Max Dombrowski M. Sc.

 

Modulare Segmentbauweise mit nachträglich durch CFK-Spannglieder vorgespannten Carbonbetonsegmenten und Inline-Qualitätssicherung durch Computertomographie

In der 1. Phase des Vorhabens wurden der Entwurf und das Tragverhalten von modularen Segmentbrücken mit CFK-Bewehrung und CFK-Spanngliedern sowie die Qualitätsprüfung mittels industrieller Computertomographie als robuste, qualitätsgesicherte Fertigungsmethode untersucht. Dadurch wurden in dem Vorhaben Beiträge zu ortsfesten Fließprozessen mit CFK-bewehrten und -vorgespannten Betonelementen, Fügeprinzipien, der Erzeugung digitaler 3D-Modelle sowie der Qualitätssicherung für die adaptive Modulbauweise im SPP geleistet. Insbesondere wurden die Tragfähigkeit von verzahnten Trockenfugen, deren Fugenkontakteigenschaften sowie die CT-basierte Detektierbarkeit von Defekten im Beton untersucht. In der 2. Phase des Vorhabens sollen auf Basis dieser Ergebnisse Modelle für das Tragverhalten von modularen Segmentbrücken sowie ein Gesamtkonzept für die Bemessung auf Basis einer integrierten Qualitätssicherung für die Präzisionsvorfertigung der Module für Groß‐ bzw. Mittelserien mit robotergestützter Erzeugung von digitalen 3D-Modellen entwickelt werden. Diese sollen anhand eines Brückendemonstrators validiert werden, welcher aus für die Fließfertigung geeigneten Modulen (Gewicht max. 1t) besteht und der sowohl für die Analyse mittels Computertomographie als auch für Tragfähigkeitsversuche zur Ermittlung des wirklichkeitsnahen, nichtlinearen Tragverhaltens unter Beachtung der Einflüsse von Segmentfugen und CFK-Spanngliedern verwendet wird.

Da die Module des Brückendemonstrators größer und schwerer sind als Bauteile, die in klassische industrielle CTs des Maschinenbaus eingebracht werden können, werden mittels roboterbasierter CT 3D-Daten am ruhenden Modul erzeugt, indem Quelle und Detektor die Kanten bzw. Grenzflächen der Module abscannen. Durch die Fusion von röntgenbasierten 3D-CT-Daten mit photogrammetrischen 3D-Oberflächendaten werden digitale 3D-Modelle erzeugt, die gleichzeitig Qualitätsaussagen zur Oberflächenbeschaffenheit (Farbe, Struktur, Homogenität) und der Inneren Struktur des Bauteils ermöglichen. Durch die wesentlich komplexere Trajektorie von Röntgenquelle und Detektor bei der roboterbasierten CT gegenüber laborbasierten CT Scannern entstehen erhebliche Artefakte für die 3D-Daten, die mittels tiefer neuronaler Netze (NN, Deep Learning) korrigiert werden sollen. Unter Berücksichtigung der möglichen Trajektorien der roboterbasierten CT und der wechselseitigen Beziehungen und Anforderungen zwischen der roboterbasierten CT und dem modularem Tragwerksentwurf (Querschnittsgeometrie für gute Durchstrahlbarkeit) sollen geeignete allgemeine Regeln für den CT-gerechten Tragwerksentwurf entwickelt werden. Letztlich soll ein Bemessungskonzept auf Basis der neuen Möglichkeiten der robotergestützten CT zur Qualitätssicherung sowie auf Basis von FE-Modellen zur Vorhersage des Tragverhaltens für eine materialoptimierte modulare Segmentbauweise entwickelt werden, welches sowohl auf Segmentbrücken als auch auf andere modulare Bauwerkstypen übertragbar ist.

FördermittelgeberIn: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit: 2020-2026
AnsprechpartnerIn: Martin Rettinger M. Sc.

CO2 Einsparung durch Ressourceneffizienz als Folge von Materialsubstitution bei hoch beanspruchten Zuggliedern im Brückenbau – Netzwerkbogenbrücken mit Zuggliedern aus Carbon

Ziel dieses Projektes ist es, im ersten Schritt eine zweite Generation Carbonzugstangen durch empirische Nachweise der Funktionstüchtigkeit und Validierung an experimentellen Untersuchungen für den Einsatz in weiteren Pilotprojekten zu qualifizieren. Hierzu sollen Bruch- und Ermüdungsversuche, sowie grundlegende Untersuchungen zum Tragverhalten unter erhöhten Temperaturen und bei Brandbeanspruchung an Carbonzuggliedern durchgeführt werden.

Zudem soll im Rahmen einer Studie untersucht werden, ob sich diese Technologie auch für die Sanierung oder Ertüchtigung bestehender Bogenbrücken eignet. Es ist denkbar, dass sich durch Aus-tausch des Stahl-Hängernetzes gegen ein Carbon-Hängernetz die Tragfähigkeit von Bestands-Bogenbrücken vergrößern lässt und gleichzeitig deren Restnutzungsdauer verlängert werden kann. In einem zweiten Schritt soll eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für Zugglieder aus Carbon erreicht werden, die eine erste Grundlage für eine Anwendung der Carbonhänger bei weiteren Brückenprojekten ist.

FördermittelgeberIn: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit: 2022 - 2024
AnsprechpartnerIn: Dr. -Ing. Alex Hückler
 

Verbundverhalten von vorgespannten Carbonbewehrungen in Beton

Das Forschungsvorhaben C3 V-4.18 „Mit Carbon im sofortigen Verbund vorgespannte (Halb-)Fertigteile“ befasste sich mit den Grundlagen für die Entwicklung der Vorspannung von Carbonbetonbauteilen im sofortigen Verbund. Durch die Kombination von Fertigteilen und Vorspannung können werkstoffgerechte Tragwerke aus Carbonbeton geschaffen werden, die es ermöglichen, die hohe Zugfestigkeit der Carbonfaser voll auszunutzen und damit die Querschnittshöhen zu reduzieren. Für die Bemessung solcher Tragwerke ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, dass die Vorspannung der CFK-Spannglieder ohne Rissbildung in den Beton eingeleitet werden kann. Um diese Forschungslücke zu schließen, wurden Verbundversuche nach den DIBT-Richtlinien durchgeführt. 
In einem ersten Versuchsprogramm wurden Pull-Out-Versuche zur Ermittlung der Verbundspannungen durchgeführt. Der zweite Teil des Versuchsprogramms bestand aus Spannkrafteinleitungsversuchen, mit denen nachgewiesen wird, dass die Spanngliedkraft ohne Rissbildung eingeleitet werden kann und gleichzeitig die Übertragungslänge aus den Betonstauchungen bestimmt wird. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf das Verbundverhalten zu untersuchen, wurden Spannkrafteinleitungsversuche an CFK-Litzen und -Lamellen durchgeführt, bei denen die einzelnen Parameter getrennt variiert wurden. Dabei wurden erstmals verteilte faseroptische Sensoren (Distributed Fiber Optic Sensors, DFOS) bei Spannkrafteinleitungsversuchen eingesetzt, die eine ca. 75-fach kürzere Einzelmesslänge als die üblichen Messtechniken aufweisen und somit durch die Aneinanderreihung von Messpunkten eine nahezu kontinuierliche örtliche und zeitliche Messung ermöglichen. 
Numersiche Untersuchungen sind geplant, um die verschiedenen Einflussparameter auf das Verbundverhalten von CFK-Bewehrungen zu quantifizieren.

Laufzeit: 2022 - aktuell
AnsprechpartnerIn: María Serrano Mesa M. Sc.

Methode der Stabwerkmodelle mit elastischer Bewehrung

Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des Trag- und Verformungsverhaltens von Diskontinuitätsbereichen (D-Bereichen) von Betontragwerken mit Faserverbundkunststoff-Bewehrung (FVK).

Ziel ist es, die grundlegende Anwendbarkeit der Methode der Stabwerkmodelle (STM) auf Betonquerschnitte mit elastischen Bewehrungsmaterialien (CFK, GFK, usw.) zu untersuchen und eine allgemeingültige, normentaugliche Grundlage für ihre Bemessung aufzustellen.

Hierzu gilt es, einen bereits am Fachgebiet entwickelten theoretischen Berechnungsansatz versuchstechnisch zu validieren.

FördermittelgeberIn: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit: 2022 - 2025
AnsprechpartnerIn: Sebastian Heberling M. Sc.

Experimentelle und theoretische Untersuchung der Reibeffekte an CFK-Spannlitzen und deren Auswirkung auf die Ermüdungslebensdauer von teilweise vorgespannten Trägern mit verbundlosen Spanngliedern

Infolge von Relativbewegungen am Spannglied kann eine beschleunigte Ermüdung entstehen. Dieses Phänomen wird in Literatur als Reibermüdung verstanden und kann bei verbundlos vorgespannten Trägern auftreten. Besonders an Stellen mit großer Spanngliedkrümmung und aufklaffenden Biegerissen, entstehen Spannungssingularitäten infolge der Reibung. Die Phänomene der Reibermüdung wurden am innovativen Material (Carbonfaser verstärkter Kunstoff, CFK) wenig untersucht. Aus diesem Zusammenhang zielt das Forschungsprojekt darauf ab, die mikroskopischen Effekte aus der Reibermüdung theoretisch und experimentell zu erfassen und die makroskopischen Effekte auf den verbundlos vorgespannten Träger anhand einer Serie von Groß- und Kleinversuchen genauer zu untersuchen. Basierend auf stattgefundener Forschung am Fachgebiet-Entwerfen und Konstruieren wird die Ermüdungscharakteristika an dem freischwingenden, mit Querdruck gepressten, und am Sattel gebogenen CFK-Litzen untersucht. Im nächsten Teil wird die Reibermüdung experimentell an kleinen Versuchsträgern untersucht. Anschließend werden numerische FE-Modelle aufgesetzt, um die Ermüdungslebensdauer an dem im Rahmen des Forschungsprojekts C3-V4.2 konstruierten vorgespannten Träger (Demonstrator) vorherzusagen. Ein Ermüdungsversuch mit bis zu 2,5 Millionen Lastzyklen wird ausgeführt. Am Ende werden die Ergebnisse aller Studien zusammengeführt und systematisch ausgewertet, um Richtlinien für den Entwurf und die Anwendung von vorgespannten Trägern mit verbundlosen CFK-Spanngliedern zu formulieren.

Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Funding period: 2022 - 2025
Contact: Prathamesh Khorgade M. Tech.