Building lightweight structures with carbon‐fiber‐reinforced polymer‐reinforced ultra‐high‐performance concrete: Research approach, construction materials, and conceptual design of three building components

Abstract

The building industry, and especially the concrete industry, consumes a considerable proportion of the natural resources extracted from the lithosphere and is responsible for a large part of the solid waste generated worldwide. Unfortunately, this fact has not yet generated a movement to counter the trend; rather, a huge increase in the use of concrete in new structures can be observed. It is imperative to counteract this development by optimally exploiting the material properties of concrete in order to improve its efficiency. One strategy being pursued at the University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna and TU Wien is to reduce the amount of concrete and reinforcement in structures by using high‐performance materials such as carbon‐fibre‐reinforced polymers (CFRP) in ultra‐high‐performance concrete (UHPC) members. This permits a crucial reduction in the self‐weight and allows for the design of very lightweight precast concrete elements. The authors' goal is to use CFRP rods as bending reinforcement and a combination of flat and preformed CFRP textiles as shear and structural reinforcement. In the first part of this paper, the research approach is introduced and a comprehensive overview of the state of the art of UHPC and CFRP reinforcement is given. The second part contains a description of the conceptual design of some structural members (one floor element and two T‐beams), starting with the development of a suitable UHPC mixture. Furthermore, preliminary uniaxial tensile tests of textile‐reinforced UHPC strips are described and evaluated. In the final part of this paper, the authors present parameter studies for different reinforcement types, values, additional prestressing of the rod reinforcement and the first prototypes. They are used to give an estimation of the feasibility, the load‐bearing and deflection behavior of the proposed building components.

Querkrafttragfähigkeit von Carbonbeton‐Plattenbrücken mit C‐förmiger Querkraftbewehrung

“…Während für die Biegebemessung von Carbonbeton mit getränkter textiler Bewehrung inzwischen praxistaugliche Bemessungsmodelle sowie ein Vorschlag für einen Teilsicherheitsbeiwert vorliegen [1][2][3], ist die Querkraft bei diesem innovativen Verbundwerkstoff weiterhin Gegenstand intensiver Forschung [4][5][6][7][8][9]. Die Diskussionen um die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbeton, die vorgeschlagene Änderung des Querkraftbemessungsmodells bei der Überarbeitung des Eurocode 2 [10,11] und die zahlreichen aktuellen Forschungsvorhaben [12][13][14][15][16][17][18][19][20][21]…”

Einflussparameter auf die Spaltrissbildung in Textilbeton

“…In einem Forschungsprojekt, das an der TU Wien durchgeführt wurde, sind großmaßstäbliche Versuche an Bauteilen (I‐Träger) aus Ultrahochleistungsbeton mit epoxidharzgetränkten Textilien durchgeführt worden . Im Zuge dieser Untersuchungen konnte eine ausgeprägte Spaltrissbildung beobachtet werden, die entweder direkt – durch eine Spaltrissbildung in der Ebene des Textils im Zuggurtbereich mit anschließendem Verankerungsversagen der Bewehrung (Bild oben) – oder indirekt – über eine Spaltrissbildung in der Ebene der Stegbewehrung und anschließendem Betondruckstrebenversagen (Bild unten) – Einfluss auf die maximale Traglast hatte .…”

Selbstvorspannende ultrahochfeste Betonelemente

“…Die Materialkennwerte wurden vom Hersteller mit dem in beschriebenen Prüfverfahren bestimmt. Weitere Versuche zum Zugtragverhalten von mit diesem Textil bewehrten UHPC‐Prüfkörpern sind in beschrieben. Textile Bewehrungselemente hergestellt aus CFK weisen keine korrosiven Eigenschaften auf, was eine Schutzwirkung durch eine Betondeckung nicht mehr notwendig macht.…”