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dc.contributor.advisorSchlaich, Mike-
dc.contributor.authorApitz, Andreas-
dc.date.accessioned2020-04-08T09:48:37Z-
dc.date.available2020-04-08T09:48:37Z-
dc.date.issued2020-
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10865-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9760-
dc.description.abstractBewehrungen und Spannglieder aus Carbon (= CFK, kohlefaserverstärkter Kunststoff) eignen sich sehr gut für Betonbrücken, da sie nicht korrodieren, nicht ermüden, sehr zugfest und trotzdem leicht sind. Mit Carbonspanngliedern vorgespannte Carbonbetonbrücken werden seit über 30 Jahren gebaut, haben sich bisher aber noch nicht durchsetzen können. Neben dem hohen Materialpreis des Carbons liegt ein wesentlicher Grund in dem wenig werkstoffgerechten Umgang mit dem Material, wodurch sein Potential nicht voll ausgeschöpft wird. Althergebrachte Denkweisen aus dem Stahlspann- und Stahlbeton werden teilweise übernommen und nicht überprüft. Die vorliegende Arbeit zeigt daher Wege auf, wie mit vorgespanntem Carbonbeton im Brückenbau werkstoffgerecht entworfen und bemessen werden kann. Hierfür wird zunächst das bestehende Wissen mit dem Ziel aufbereitet, daraus Erkenntnisse für das werkstoffgerechte Entwerfen und Bemessen zu generieren. Im Zuge experimenteller Untersuchungen an Biegeträgern werden Begriffe wie Versagensankündigung, Duktilität und Robustheit in den Kontext eingeordnet. Anhand relevanter Literaturquellen werden die wesentlichen Bemessungsregeln für biegebeanspruchte Querschnitte diskutiert und deren Auswirkung auf die Bemessungsergebnisse (optimaler Vorspanngrad, Wirtschaftlichkeit) mithilfe einer Parameterstudie sichtbar gemacht. Anhand eigens entwickelter Beispielentwürfe werden Aussagen zum werkstoffgerechten Entwerfen hergeleitet. Eine zentrale Erkenntnis für die Bemessung ist der in der Arbeit begründete Wegfall des Dekompressionsnachweises. Die Vorspannung ist somit frei wählbar und sollte so hoch sein, dass durch sie je nach Vorspannart 50 bis 90 % der ständigen Lasten überdrückt werden. Es wird weiter festgestellt, dass im Unterschied zur Stahlvorspannung bei Carbon die Vorspannung ohne Verbund wirtschaftlicher ist als jene mit nachträglichem Verbund. Weiterhin wird die Eignung von Spanngliedern mit Carbonlamellen demonstriert, die aufgrund ihrer Form werkstoffgerecht über Umlenkung verankerbar sind und zudem effektiv unterhalb des Betonquerschnittes zur Maximierung des Hebelarms angeordnet werden können. Zugelemente aus Carbon sind teuer und sollten daher nur in Brückenbereichen eingesetzt werden, wo sie den größten Nutzen bringen. Die übrigen Bereiche können konventionell mit Stahl bewehrt werden. Solch eine Carbon(spann)beton-Stahlbeton-Verbundbauweise (CSV-Bauweise) führt zu wirtschaftlichen und nachhaltigen Brücken, da alle Materialien werkstoffgerecht eingesetzt werden, Investitionskosten somit moderat bleiben und durch die erhöhte Dauerhaftigkeit die Belastungen für Bauherren, Gesellschaft und Umwelt während der Nutzungszeit sinken. Die gewonnenen Erkenntnisse mündeten in der Herstellung der weltweit ersten, 20 m überspannenden CSV-Versuchsbrücke, mit der die Praktikabilität der neuen Bauweise gezeigt wurde. Die Ergebnisse der Arbeit sollen zur Erstellung von Bemessungsrichtlinien und -normen beitragen, Ideenansätze für entwerfende Ingenieure liefern und das Bewusstsein für einen werkstoffgerechten Umgang mit Carbonzugelementen in Betonbrücken erweitern.de
dc.description.abstractReinforcement and tendons of carbon (= CFRP, Carbon Fibre Reinforced Polymers) are very suitable for concrete bridges as they do not corrode, are resistant to fatigue, have high tensile strength and are lightweight. Even though concrete bridges prestressed with carbon tendons are being built since more than 30 years, they could not catch on until today. Next to the high material prize one major reason is that the new material is often not applied in a suitable way in bridge concepts and design. Conventional approaches from steel reinforced and steel pretensioned concrete are partially being adopted without rethinking. This thesis shows how to conceptualize and design carbon prestressed concrete bridges in order to reveal the full potential of the carbon. By means of theoretical argumentation and experimental investigations on prestressed beams the terms warning prior failure, ductility and robustness are discussed in the new context. Existing design rules of prestressed concrete for cross sections under bending are reconsidered and adjusted by taking into account the special properties of carbon tensile elements. The influence of these rules on the design results (optimal prestress level, economic viability) is revealed by means of a parametric study. By discussing and comparing self-developed bridge concepts, findings are derived for the conceptual design of prestressed carbon bridges. A central finding for the design is that the decompression check is not necessary any more due to the corrosion resistance of the carbon tendons. Consequently, it gets possible to freely choose the prestress level. Latter should be high enough to compensate 50 till 90 % of the dead load in order to achieve economic viable solutions. Furthermore, it is stated that in contrast to posttensioning with steel, posttensioned carbon tendons without bond lead to more economic solutions than those with bond. Moreover, the suitability of carbon strips for tendons is demonstrated. Due to their form, carbon strips can effectively be anchored by deviation. Besides, they can be effectively located under the cross section to maximize the lever arm. Tension elements of carbon are costly. Therefore, they should only be applied in bridge parts, where they generate the highest benefit. The remaining parts can be reinforced conventionally with steel. This argumentation leads to a new construction type: Bridges built with „carbon and steel reinforced (and prestressed) concrete“ (CSRC) leads to economic viability and sustainability, because all materials are used in a most suitable way. Hence, investment costs stay moderate and the costs for owners, society and environment during the lifetime can be reduced due to the higher durability compared to the conventional bridge types. The collected findings where used to plan and built a 20 m long experimental bridge, which demonstrates the practicability of CSRC-bridges. The results of this thesis should contribute to the preparation of design guidelines and codes, provide ideas for bridge designers and enhance the consciousness for the suitable application of carbon tensile elements in concrete bridges.en
dc.language.isodeen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc624 Ingenieurbaude
dc.subject.otherCarbonbetonde
dc.subject.otherCFKde
dc.subject.otherVorspannungde
dc.subject.otherBrückede
dc.subject.otherEntwurfde
dc.subject.otherBemessungde
dc.subject.othercarbon concreteen
dc.subject.otherCFRPen
dc.subject.otherprestressen
dc.subject.otherbridgeen
dc.subject.otherconceptional designen
dc.subject.otherdesignen
dc.titleVorgespannter Carbonbeton im Brückenbaude
dc.typeDoctoral Thesisen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeSchlaich, Mike-
dc.contributor.refereeMarx, Steffen-
dc.date.accepted2020-02-17-
dc.title.subtitleBeitrag zum werkstoffgerechten Entwerfen und Bemessende
dc.title.translatedPrestressed carbon concrete in bridgesen
dc.title.translatedsubtitleconcept and designen
dc.type.versionacceptedVersionen
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