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Objective comparison of different building construction ceiling systems for their ecological efficiency
Full text linkRessourceneffizientes Bauen und die Verwendung von nachhaltigen Rohstoffen bei der Errichtung von Gebäuden wird in Zukunft immer essentieller. Der stetig steigende Rohstoffbedarf und der große Beitrag des Bausektors zu den anthropogen verursachten Treibhausgasemissionen verdeutlicht die Notwendigkeit die Branche hinsichtlich einer geringeren Umweltbelastung weiterzuentwickeln. Rückblickend auf die beiden vorhergehenden Jahre, in denen man deutlich die Situation von Materialknappheit im Baugewerbe vernehmen konnte, ist eines der wichtigsten Ziele der nächsten Jahrzehnte, Methoden und Konzepte für ein effizientes und nachhaltiges Bauen zu entwickeln. Ebenso wird vermehrt die Wahl des Baustoffes, besonders im öffentlichen Sektor, beizumessen sein. In der vorliegenden Arbeit soll ein ökologischer Vergleich zwischen den aktuell verwendeten Deckensystemen von Hochbauten durchgeführt werden. Hierfür wurde zu Beginn festgehalten, wie gegenwärtig die Bewertung von Rohstoffen und auch Bauteilen abläuft. Es wird dabei auf die normativen Rahmenbedingungen und definierten Abläufe zur Erstellung von Umweltproduktdeklarationen (EPDs) eingegangen. Diese sind in weiterer Folge notwendig, um sinnvolle Vergleiche der unterschiedlichen Rohstoffe erstellen zu können. Nach der Definition der Systemgrenzen und der erforderlichen Indikatoren, sind für die verwendeten Baustoffe die Referenzgrößen betrachtet worden. Um auch einen objektiven Vergleich zu erhalten, erfolgten die Berechnungen für unterschiedliche Spannweiten, die wiederum in Einfeld-, Zweifeld- und Mehrfeldsysteme aufgeteilt worden sind. Ziel war es zu zeigen, ob Baustoffe, die bei der Herstellung zwar größere Auswirkungen auf das Ökosystem haben, aber aufgrund der geringeren Materialmenge doch Vorteile gegenüber den anderen Systemen erzielen können. Dabei wurden nur die statisch relevanten Elemente für die ökologische Bilanzierung der Decken betrachtet. Die Berechnung der Deckensysteme erfolgte unter definierten Annahmen und einem ausgelasteten System. Diese wurden nach dem aktuellen Stand der Technik berechnet, sprich nach den aktuell gültigen ÖNORMEN für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) und den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS). Es galt vor allem, dabei nur die statisch relevanten Bauteile in die Berechnung mit einzubeziehen. Die statische Bemessung erfolgte hauptsächlich mit dem Finite Elemente Programm RFEM von Dlubal. Ziel war es, die Vor- und Nachteile der jeweiligen Deckensysteme objektiv auf ihre ökologische Effizienz zu filtern. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden am Ende der Arbeit tabellarisch gegenübergestellt und beurteilt. Durch diese Beurteilung der Deckensysteme sollte gezeigt werden, welches Potential in den verschiedenen Systemen liegt und dass eine solche Gegenüberstellung auch als Kriterium bei der Wahl der Deckensysteme herangezogen werden kann bzw. sollte.A more resource-efficient building construction and the use of sustainable raw materials in the construction sector will become more relevant in the future. The increasing demand for raw materials and the large contribution of the construction sector are decisive for the development of the anthropogenetic greenhouse gas emissions in recent years. Looking back on the two previous years, in which the situation of material shortage in the construction industry was clearly evident, one of the most important objectives of the coming decades is to develop methods and concepts for efficient and sustainable construction. Similarly, the choice of building material and its impact on the ecosystem are increasingly influencing the construction of buildings, particularly in the public sector.In this work an environmental comparison of the currently used ceiling systems of buildings is to be made. At the beginning, today's evaluation of raw materials and components by use of Life-Cycle-Assessment is introduced. Furthermore, the actual normatives and regulations and defined procedures for creating Environmental Product Declarations (EPDs) are discussed. These are mandatory in order to be able to make comparisons between the different ceiling systems. After defining the procedures and regulations developed by the national authorities and the necessary indicators, the reference values for the building materials used were considered. In order to obtain an objective comparison, the calculations were carried out for different span widths, which were also divided into single field, double field and multifield systems. This should reveal if building materials which have a greater impact on the ecosystem during production, but due to a smaller quantity of the material used, still be superior to other systems in the long run. Only the statically relevant elements were considered for the ecological balance of the ceilings. The calculation of the ceiling systems was carried out on the basis of defined assumptions and a fully utilized system. These were calculated according to the current state of the art, i.e. according to the currently valid Eurocodes/Önorms for the ultimate limit state and the serviceability limit state. It is especially important that only the statically relevant components are included in the calculation. Mainly the Finite Element Program RFEM from Dlubal was used for calculation.The aim is to show the advantages and disadvantages of the respective ceiling systems for their environmental efficiency in an objective way. The result of the study was compared and evaluated in a tableform at the end of the work. This assessment of the ceiling systems should highlight the potential of various systems and, as a result, will hopefully serve as a additional criteria when choosing ceiling systems in the future
Vergleich der ökologischen Auswirkungen von carbonbewehrten ultrahochfesten mit konventionellen Betonbaukonstruktionen
Full text linkIm Zuge des Forschungsprojekts „Sustainable building with textile reinforced ultra high performance concrete“ am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien wird der Ein-satz von Hochleistungswerkstoffen untersucht. Durch die Kombination der beiden Mate-rialien UHPC und Carbonbewehrung können Bauteile wesentlich schlanker dimensioniert werden. Carbonbewehrung zeichnet sich durch seine hohe Zugfestigkeit, sein geringes Gewicht und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Als „Ultra high performance concrete (UHPC)“ werden Betone bezeichnet, die eine Druck-festigkeit von > 150 MPa aufweisen. Diese Festigkeit wird durch eine große Gefügedichte, sowie einen geringen Wasserzementwert erreicht, wodurch filigrane, leichte und ressour-censchonende Bauteile hergestellt werden können. Aus rein technischen Gesichtspunkten wäre es daher plausibel, den Einsatz von carbon-bewehrten UHPC Konstruktionen in der Baubranche zu forcieren. Aus ökologischer Sicht wäre der vermehrte Einsatz dieser Konstruktionsweise auf Grund der Materialeffizienz zu befürworten. Sollten jedoch der Ressourcenverbrauch sowie die Emissionen durch die Produktion dieser Hochleistungsmaterialien die erzielte Einspa-rung im Vergleich zum konventionellen Stahlbetonbau kompensieren oder sogar über-treffen, wäre von dieser Konstruktionsweise abzuraten. Diese Diplomarbeit widmet sich dieser Frage und vergleicht anhand von konkreten stati-schen Aufgabenstellungen die ökologischen Auswirkungen von carbonbewehrten UHPC - mit klassischen Betonbaukonstruktionen.Abstract Comparison of the ecological impact of carbon reinforced ultra high performance concrete - with conventional concrete structures As part of the research project „sustainable building with textile reinforced ultra high per-formance concrete“ the Institute for Structural Engineering at the TU Wien investigates the use of high-performance materials. The combination of both materials ultra high per-formance concrete (UHPC) and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) as reinforcement allows to create construction elements, which are much lighter and thinner compared to conventional concrete elements. CFRP is characterized by a very high tensile strength, a low dead load and its corrosion-resistance. UHPC are defined by a compressive strength of more than 150MPa, which is created by its high structural density and low water-cement factor. These characteristics enable the manufacturing of delicate and light construction elements in a resource-friendly manner. Evaluating based on technical arguments the advantages of these CFRP-reinforced UHPC are clearly indicating an advisable growth of using these materials in the building indus-try. But how does the ecological footprint of these materials look like? Does the manufac-turing process of the CRFP-reinforced UHPC deliver advantages or disadvantages in re-spect to sustainability issues, when it is compared to conventional steel reinforced concrete? The content of this thesis discuss the ecological impact of CFRP-reinforced UHPC by fo-cusing on the consumption of raw materials and the emissions of its manufacturing pro-cess. This scientific work compares the consequences based on real structural examples
Bond Behavior of CFRP Rods in UHPC
Full text linkUltrahochfester Beton (Ultra High Performance Concrete - UHPC) mit Bewehrung aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) könnte bei bestimmten Anwendungen Vorteile gegenüber dem derzeit eingesetzten Stahlbeton aufweisen, befindet sich derzeit allerdings noch im Forschungsstadium. Insbesondere die hohe Zugfestigkeit und Korrosionsresistenz von CFK-Bewehrung verspricht bei einem Einsatz als Betonbewehrung potenzielle Materialersparnisse und Verbesserungen der Dauerhaftigkeit der Betonbauteile. In dieser Arbeit wird anfangs ein kurzer Überblick über die Herstellung und Eigenschaften dieser beiden Materialien und die möglichen Vorteile ihrer Kombination präsentiert. CFK-Bewehrungsstäbe werden in Varianten mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit hergestellt und bieten in ihrem Verbundverhalten verschiedene Vor- und Nachteile bezüglich ihrer Verbundfestigkeit und -steifigkeit sowie ihrer Versagensmodi. Diese Arbeit beschäftigt sich vor allem mit Stäben mit einer eingefrästen Wendel. Das Verbundverhalten von CFK-Stäben in Beton ist sowohl für schlaff bewehrte als auch für mit CFK-Stäben vorgespannte Bauteile von Interesse, und möglichst gute Verbundeigenschaften sind für diese Anwendungen wünschenswert. Daher beschäftigt sich in dieser Arbeit auch ein Abschnitt mit der Verbundwirkung von Bewehrungsstäben in Beton und den grundsätzlichen Unterschieden zwischen Stahl- und CFK-Bewehrungsstäben. Daran anschließend wird eine im FE-Programm ATENA durchgeführte Parameterstudie präsentiert, in der CFK-Stäbe mit unterschiedlichen Oberflächenprofilierungen hinsichtlich ihres Verbundes mit UHPC untersucht wurden. Abschließend werden in dieser Arbeit zwei Serien von Ausziehversuchen beschrieben, die mit drei selbst hergestellten Stabvarianten und zwei von Herstellern bezogenen CFK-Bewehrungsstabtypen durchgeführt wurden. Die Versuchsergebnisse werden mit den Berechnungsergebnissen aus ATENA 2D und den Ergebnissen früherer Studien verglichen. Alle geprüften Stäbe erreichten einerseits höhere mittlere Verbundfestigkeiten als vorangegangene Versuche an der TU Wien mit den teils gleichen Materialien, andererseits wurden in den Versuchen auch teilweise niedrigere Verbundfestigkeiten erreicht als in ähnlichen Versuchen an anderen Forschungseinrichtungen.Ultra-high-performance concrete (UHPC) with reinforcement made of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) could have several advantages compared to conventional steel-reinforced normal-strength concrete for certain applications. This combination of materials is still being developed though, and has only been used in relatively few projects. Especially the high tensile strength and corrosion resistance of CFRP reinforcement is of value in concrete and could lead to savings in materials used as well as higher durability of concrete members. A brief overview of the manufacturing process and key properties of these materials and the possible advantages of their combination is presented in the first chapters of this thesis. CFRP reinforcing rods are manufactured in variants exhibiting various surface geometries and thus have different advantages, disadvantages and other characteristics with respect to their bond behavior. This thesis primarily covers rods with cut helical grooves. The bond behavior of CFRP rods is of interest for both non-prestressed and prestressed concrete members and good bond properties are desirable for both of these applications. This thesis presents a brief summary of literature on the bond behavior of reinforcing rods in concrete and the differences between steel and CFRP rods. A parametric study of different numerically modelled groove geometries on CFRP rods with respect to their influence on bond behavior in UHPC is then presented and its results discussed. The calculations for this study were done in the FE-program ATENA 2D and yielded results which agreed with test results obtained later to varying degrees. Finally, two series of pull-out tests conducted with three chosen variants of grooved rods and two commercially available rod types are presented. The results are compared to the results obtained from the numerical models as well as similar tests carried out in former work at TU Wien. All tested rods achieved higher maximum mean bond stresses on average than those tested before at TU Wien using the same materials in some cases. However, these test specimens also achieved lower peak bond strengths than those used in similar tests conducted elsewhere
Feasibility study for the load-bearing capacity, manufacturing and sustainability of a new wood-concrete composite slab system
Full text linkHolz-Beton-Verbunddecken sind Hybrid-Deckenelemente, bei denen der Betonquerschnitt schubfest mit dem Holzquerschnitt verbunden wird. Diese Bauweise zeichnet sich vor allem durch die hervorragende Ausnützung der Eigenschaften der jeweiligen Verbundpartner aus. Der Betonquerschnitt befindet sich im druckbeanspruchten oberen Teil der Decke, wohingegen der Holzquerschnitt im unteren Teil der Decke für die Aufnahme der Zugspannungen verantwortlich ist.Bei einer auf Biegung beanspruchten Decke treten in den äußeren Randfasern die maximalen Normalspannungen auf. Der Mittelbereich der Decke trägt kaum zum Trag- und Gebrauchsverhalten der Decke bei. Aus diesem Grund wurde in der Arbeitsgruppe für Ressourceneffizienten Hoch- und Ingenieurbau an der Universität für Bodenkultur in Wien ein neues Holz-Beton-Verbunddeckensystem entwickelt. Ziel des neuen Verbunddeckensystems ist es, den aufgrund der Spannungsverteilung geringer belasteten Mittelbereich, durch ein entsprechendes Formteil auszusparen. Dies soll langfristig zu einer ressourceneffizienteren Herstellung von Holz-Beton-Verbunddecken führen.Die vorliegende Arbeit stellt eine Machbarkeitsstudie dar, welche die maximale Tragfähigkeit,mögliche Herstellungsprozesse und Ökologische Aspekte eines neu entwickelten Verbunddeckensystems evaluiert. Der erste Teil der Arbeit widmet sich allgemein dem Tragverhalten von Holz-Beton-Verbunddecken sowie einer ausführlichen Recherche über die aktuell in der Praxis zugelassenen und ausgeführten Verbunddeckensysteme. Auf Grundlage der gewonnen Erkenntnisse wird im zweiten Teil der Arbeit das neue Holz-Beton-Verbunddeckensystem vordimensioniert.Die Deckenanalyse wurde mit drei Spannweiten zwischen fünf und neun Meter in Abhängigkeit zwei unterschiedlicher Nutzungskategorien durchgeführt. Der Schubverbund zwischen den beiden Teilquerschnitten trägt wesentlich zur Leistungsfähigkeit einer Verbunddecke bei. Bei dem neuen Deckensystem werden die Schubkräfte über Betonnocken und Einfräsungen im Holz abgetragen.Da für diese neue Verbundvariante keine Verschiebungsmodulwerte zur Verfügung standen,wurden diese vorher mit der Finite Elemente Methode ermittelt. Im Anschluss konnten die Deckenstärkendurch Tragfähigkeits- und Verformungsnachweise auf Basis des Gamma-Verfahrensvordimensioniert werden. Dazu wurde eine Parameterstudie durchgeführt, um eine Vielzahl an unterschiedlichen Deckenaufbauten zu untersuchen. Die gewonnen Ergebnisse wurden anschließend in einem Stabwerksmodell verifiziert. Zusätzlich konnten in dem Stabwerksmodell die Schubkräfte in den einzelnen Betonnocken abgelesen werden, mit denen die Nachweise imBereich der Schubkrafteinleitung durchgeführt wurden.Die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen führten zu der Erkenntnis, dass alle untersuchtenSpannweiten mit der gleichen Beton- und Holzplattenstärke von sieben beziehungsweise zwölf Zentimeter ausgeführt werden können. Bei höheren Belastungen sowie weiter gespannten Systemen, wurde zur Erfüllung der Tragfähigkeits- und Verformungsnachweise als einzige Variable die Luftstärke zwischen den beiden Plattenquerschnitten erhöht. Aus diesem Grund kann bei größeren Deckenspannweiten ein höheres Einsparungspotential erzielt werden. Anschließend wurden die ökologischen Auswirkungen von Deckensystemen unterschiedlicher Hersteller evaluiert.Den Abschluss der Arbeit bildet eine Dokumentation von der Herstellung eines Deckenelementes sowie Empfehlungen für zukünftige Untersuchungen.Wood-concrete-composite slabs are hybrid ceiling elements, where concrete cross-sections and wood cross sections are connected in a shear-resistant manner. This type of construction technique is well known for its excellent utilization of the properties of both composite elements. Concrete in the upper part of the slab is exposed to pressure loads, whereas the wood portion in the lower part of the ceiling with stands tensile stress.In case the ceiling is bended, maximum tension occurs in the outer edge fibers of both materials.The mid-section of the slab hardly contributes to the load-bearing and deformation behaviour.Therefore, a new wood-concrete composite ceiling system was developed in a working group for resource-efficient structural engineering at the University of Natural Resources and Life Sciences in Vienna. The idea behind the new composite ceiling is to replace parts of the mid-section,which is less exposed to stress, through molded parts. This in turn is expected to contribute to amore resource-efficient production of wood-concrete composite ceilings.The objective of this thesis is to conduct a feasibility study which will evaluate the load-bearing capacity, potential manufacturing processes and ecologic aspects of such a newly developed composite ceiling system. The first part (Basic principles and Theory - Chapter 2) of the thesis will focus on the load-bearing behavior of wood-concrete composite ceilings in general along with an extensive research on the composite ceiling systems currently approved and implemented inpractice. On the basis of the knowledge gained, the new wood-concrete composite ceiling systemis pre-dimensioned in the second part (New Wood-Concrete Composite Ceiling System - Chapter 3) of the thesis. A ceiling analysis was carried out with three spans between five and nine meters,depending on two different use cases. The shear bond between the two cross-sections contributessignificantly to the performance of a composite ceiling. With the new ceiling system, the shearforces are dissipated via concrete cams and milling in the wood. Since no displacement module values were available for this new composite variant, these were previously determined using a finite element model. Afterwards, the slab thicknesses could be pre-dimensioned by means of load-bearing capacity and deformation verification based on the gamma method. For this purpose, a parameter study was carried out to investigate a large number of different ceiling structures. The results obtained were then verified by a framework model. In addition, the shearforces in the individual concrete cams are visible in a framework model.The results of the numerical investigations led to the realization that all examined spans can be made with the same concrete and wood panel thickness of seven and twelve centimeters. At higher loads as well as more stretched systems, the only variable that was required to meet the load-bearing capacity and deformation verifications was to increase the air strength between the two plate cross-sections. For this reason, greater savings potential can be achieved with larger ceiling spans. In the third section (Ecological Evaluation - Chapter 4), ceiling systems from different manufacturers have been evaluated for their ecological impact on the environment.Finally, at the end of the thesis, the manufacturing process (Manufacturing New Wood-Concrete Composite Ceiling System - Chapter 5) of the new composite ceiling is documented along with some recommendations for future research
Numerische, experimentelle & umweltrelevante Untersuchungen an karbonbewehrten, ultrahochfesten Betonträgern mit integrierten Stahlimplantaten
Full text linkIm Zuge dieser Diplomarbeit wurde der Anschlussbereich eines Einfeldträgers untersucht, welcher aus Hochleistungsmaterialien wie ultrahochfestem Beton und karbonfaserverstärktem Kunststoff besteht. Neben nichtlinearen FE-Berechnungen und experimentellen Untersuchungen wurde der Bauteil ebenfalls in Hinblick auf seine Umweltverträglichkeit bewertet. Im Vordergrund steht die generelle Machbarkeit des Bauteils sowie Aussagen zu Tragverhalten und Versagensmechanismen. Die Untersuchungen beziehen sich speziell auf einen Versuchsaufbau, wobei ein Einfeldträger (Fest-/Gleitlager) mit einer Einzellast nahe des Auflagerbereiches belastet wird. Der Bauteil baut sich aus einem Betonkörper, einer Karbonlamelle verlaufend an der Unterkante des Trägers sowie einem Stahlelement (”Stahlimplantat”) aus rostfreiem Stahl im Auflagerbereich auf. Das Stahlimplantat weist eine Öffnung auf und kann mittels Bolzen befestigt werden. Die Lamelle wird mittels Epoxidharzmörtel in das Stahlimplantat geklebt. Die Formfindung des Trägers beruht auf dem Prinzip, die Bauteilgestalt an die herrschenden Hauptspannungen anzupassen. Mehrere Trägervarianten wurden untersucht, wobei unter anderem der Beton (ultrahochfester Beton mit/ohne Stahlfasern), die Oberflächenbeschaffenheit der Lamellen (glatt/besandet) sowie die Form des Anschlussbereiches bzw. die Lage des Implantates (Öffnung Trägeroberkante/Trägermitte) variiert wurden. Für die nichtlineare Berechnung des Bauteils wurde die Software ATENA von Červenka Consulting konsultiert, welche auf Betonstrukturen spezialisiert ist. Besondere Sorgfalt wurde auf die Definition der Eigenschaften der Hochleistungsmaterialien gelegt. Laut den numerischen Ergebnissen versagen die Träger aus stahlfaserbewehrtem, ultrahochfestem Beton durch Reißen der Lamelle. Im Vergleich dazu versagt ein Träger aus ultrahochfestem Beton ohne Stahlfasern durch ein Versagen der Betondruckzone bei etwa der Hälfte der Kraft des Trägers mit Stahlfasern. Zunächst wurden zwei Reihen von Ausziehversuchen der Stahlimplantate mit eingeklebten Karbonlamellen durchgeführt. Die zweite Versuchsreihe enthält Optimierungen aus den Erkenntnissen der ersten Versuchsreihe, welche vor allem die Geometrie der Implantate betreffen. Es konnte insbesondere die Herstellungsgenauigkeit und die Herstellungsqualität mittels Wasserstrahlschneiden optimiert werden. Mehrere Varianten mit unterschiedlicher Anzahl an Zackungen, Einbindelänge, Öffnungsweite und Zackenneigung wurden durchgeführt. Nachfolgend wurde die Versuchsreihe der Trägerversionen durchgeführt, wobei mittels Materialtests die genauen Materialparameter des Betons ermittelt wurden. Die nichtlineare FE-Berechnung wurde dahingehend kalibriert. Die allgemeine Machbarkeit der Trägerversionen wurde bewiesen. Auf Optimierungsvorschläge in Hinblick auf eine mögliche Laststeigerung für zukünftige Versuche wird hingewiesen. Die anschließende Bewertung der Umweltverträglichkeit wurde in Anlehnung an die Arbeit von Kinast durchgeführt, wobei die Produktionsphase der Lebenszyklusanalyse berücksichtigt wurde. Der Träger bestehend aus Hochleistungsmaterialien wurde mit einem konventionellen Betonträger unter gleicher Maximallast der numerischen Ergebnisse verglichen. Die ökologische Betrachtung zeigt eine höhere Umweltbelastung des konventionellen Stahlbetonträgers in allen Wirkungskategorien.The bearing area of a single-span girder composed of high-performance materials like ultrahigh performance concrete and carbon-fibre reinforced plastic was investigated in this master thesis. In addition to nonlinear finite element calculations and experimental investigations, the environmental impact of the building component was analysed. The investigation of the general feasibility of the building component as well as statements about load-bearing behaviour and failure mechanisms were of interest. All investigations refer to a specific test setup of a single-span girder with a fixed/sliding bearing under a concentrated load located close to the bearing area. The building component is composed of a concrete body, a carbon laminate running along the lower edge of the beam as well as a steel element (”steel implant”) in the bearing area out of stainless steel. The steel implant is characterised by an opening and can be easily attached and detached with a bolt. Epoxy resin mortar is used to glue the laminate into the implant. The form of the bearing area is based on the principle to adapt the geometry of the building component to the present principle stresses. Several beam versions were investigated, at which concrete (ultra-high performance concrete with/without fibres), the surface of the laminate (plain/sand-coated) as well as the form of the bearing area respectively the position of the implant (opening located at the upper edge/middle of the beam) varied. Regarding the nonlinear finite element calculations, the software ATENA of Červenka Consulting with an emphasis on concrete structures was consulted. Special diligence was placed on the definition of the material properties of the high-performance materials. According to the numerical results, the beam versions composed of ultra-high performance concrete with fibres failed due to a rupture of the laminate. In comparison, beam versions out of ultra-high performance concrete without fibres failed at a load of about half of the force of the beams with fibres. These beam versions failed due to a failure of the compression zone of the concrete body. Two pull-out test series of the steel implants with a glued in carbon laminate were executed. The second test-series includes optimisations due to the findings of the first test series, which mainly refer to the geometry of the steel implant. In particular, the respective accuracy and quality of the manufacturing using a waterjet-cutting production method was optimised. Several implant versions with variations regarding the number of teeth, bond length, opening width and teeth inclinations were investigated. Subsequently the test series of the beam versions was executed, at which the material properties of the applied concretes were determined as well. The nonlinear finite element calculations were calibrated due to these parameters. The feasibility of the beam versions was proven. Recommendations regarding optimisations to increase the applied load are outlined. The impact assessment of the environmental impact was executed in dependence on the thesis of Kinast, at which the production stage of the life cycle was considered. The beam composed of high-performance materials was compared to a conventionally reinforced concrete beam under the same maximum concentrated load of the numerical results. The assessment of the whole beam versions illustrates that the conventionally reinforced concrete beam shows overcharge in all considered impact categories
Experimental investigations of the shear load bearing behavior of carbon reinforced UHPC beams
Full text linkDie Verwendung von Hochleistungswerkstoffen im Betonbau ist mit einem hohen Energieeinsatz verbunden. Deshalb ist eine materialeffiziente Planung eine wesentliche Vorrausetzung für die Wirtschaftlichkeit von carbonbewehrten Bauteilen aus UHPC. Im Rahmen des Forschungsprojekts „Sustainable building with textile reinforced ultra-high performance concrete“, wurde an der TU Wien in den Jahren 2016 bis 2017 das Tragverhalten von carbonbewehrten UHPC- Bauteilen untersucht. Unter der Berücksichtigung des materialeffizienten Einsatzes der Hochleistungsmaterialien, sind im Zuge des Forschungsprojektes schlanke Versuchskörper aus textil-bewehrtem UHPC entwickelt worden. Bei den Versuchskörpern handelt es sich um zwei Ausfüh-rungsvarianten eines T-Trägers und eines Deckenelementes. [11] Die Versuchskörper sind in Fertigteilbauweise hergestellt worden. In zwei Versuchsreihen ist das Biegeund Querkrafttragverhalten dieser Versuchskörper untersucht worden. Dieser Diplomarbeit liegt die Versuchsreihe zur Untersuchung des Querkrafttragverhaltens der carbonbewehrten Versuchskörper zugrunde. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, anhand der durchgeführten Versuche das Querkrafttragverhalten der Versuchskörper zu beschreiben. Um den Einfluss von auflagernahen Einzellasten zu untersuchen, ist die Schubschlankheit bei den einzelnen Versuchskörperkonfigurationen variiert worden. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wird auf die Hochleistungswerkstoffe UHPC und die textilen Bewehrungselemente eingegangen. Es werden die wesentlichen Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe erläutert. Anschließend wird der Stand der Kenntnisse des Verbundwerkstoffes TRUHPC (Textile Reinforced Ultra-High Performance Concrete) und erste Ansätze zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit widergegeben. Im letzten Abschnitt werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen erläutert und die Versagensmechanismen der einzelnen Konfigurationen der Versuchskörper bestimmt. Anhand dieser Versuchsergebnis-se wird die Aussagekraft der angeführten Berechnungsansätze geprüftThe use of high-performance materials in concrete construction requires a high amount of energy. Therefore, careful planning focusing on material efficiency is required if carbon-reinforced structural elements of UHPC are to be applied economically. Within the scope of the research project “Sustainable building with textile reinforced ultra-high performance concrete”, scientists at the TU Wien were doing research on the bearing behavior of carbon reinforced UHPC components in the years 2016 to 2017. In the course of the research project, slender test specimens of textile-reinforced UHPC were developed, with the use of high-performance materials being considered under aspects of material efficiency. These test specimens were two design variants of a T-beam as well as ceiling elements. [11] The test specimens were manufactured as precast elements. In two test series, the bending and shear bearing behaviour of these test specimens was investigated. This diploma thesis is based on the test series analysing the shear bearing behaviour of the carbon-reinforced test specimens, and its aim is to describe the shear bearing behaviour of the test specimens on the basis of the experiments carried out. To investigate the influence of single loads near supports, the shear slenderness of the individual test specimen configurations was varied. In the first section of this diploma thesis, the most important properties of the high-performance materials UHPC and textile reinforcing elements were descirbed. Subsequently, the states of knowledge regarding the composite material TRUHPC (Textile-Reinforced UltraHigh Performance Concrete) as well as first approaches for calculating shear force resistance are outlined. In the last section, the results of the experimental tests are discussed and the failure mechanisms of the individual configurations of the test specimens are addressed. The obtained experimental results provide a basis for the validation of applied calculations
Draft of potential shell shapes for the "pneumatic wedge method"
Full text linkDas Ziel dieser Arbeit besteht darin, die mögliche Bandbreite von geeigneten Schalenformen für die -Pneumatic wedge method- darzustellen und in weiterer Folge das Potential des Verfahrens zu veranschaulichen. Der erste Teil befasst sich mit der Geschichte des Werkstoffes Beton bzw. Stahlbeton sowie der Entwicklung des Schalenbaus. Anhand von Analysen diverser repräsentativer Schalenbauwerke vom Anfang des 20. Jahrhunderts bis in die Gegenwart wird darauf genauer eingegangen. Es folgt eine Beschreibung der Entstehung der -Pneumatic wedge method- sowie deren Funktionsweise. Durch die Analyse unterschiedlicher Geometrien bezüglich deren Tauglichkeit für dieses Verfahren wird ein breites Spektrum von möglichen Schalenformen aufgezeigt, die auf diese Weise konstruiert werden könnten. Es wurde zudem eine Form ausgewählt, die im Versuch im Maßstab 1:5 getestet wurde und momentan für einen 1:1-Großversuch vorbereitet wird. Diese Vielzahl an möglichen Formen und Formvariationen zeigt das Potential der Methode. Mit Hilfe von Visualisierungen werden außerdem eine Reihe von Einsatzmöglichkeiten der so konstruierten Schalen dargestellt.The aim of this diploma thesis is to show the possible range of shell shapes, which are applicable to be built using the -pneumatic wedge method-. Additionally the potential of the method will be clarified. Firstly a short historical summary of concrete, respectively reinforced concrete together with the evolution of shell constructions, is given. To amplify on this, it is followed by descriptions of existing representative shell structures of the early 20th century until today. Therein the development and functioning principles of the -pneumatic wedge method- are explained. The analysis of different geometries shows their suitability concerning the method and demonstrates the breadth of possible shapes that could be built by using this technique. Furthermore a particular form was chosen and tested on a scale of 1:5 and is currently being prepared for an actual size attempt. This wide range of possible forms and form variations demonstrates the potential of the method. In addition, there are various possible fields of application for this technology which is illustrated by Visualisations
Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Herstellung einer Wildbrücke mit dem pneumatic forming of hardened concrete Bauverfahren
Full text linkÜber die Koralmbahn zwischen Graz und Klagenfurt wird eine Wildbrücke als Schalenbrücke mit dem Pneumatic Forming of Hardened Concrete (PFHC) Bauverfahren hergestellt. Die doppelt gekrümmte Schale der Brücke wird dabei durch das Anheben einer ebenen ausgehärteten Betonplatte mit Hilfe einer pneumatischen Schalung errichtet. Diese Diplomarbeit beinhaltet die Beschreibung und Auswertung einer Serie von 16 vorab durchgeführten Biegeversuchen an rechteckigen Betonplatten, mit dem Ziel die geeignetste Beton-Bewehrungskombination für den Umformungsprozess von der Platte zur Schale zu bestimmen. Mit einem an den Versuchsergebnissen kalibrierten numerischen Modell der Biegeexperimente werden zweidimensionale nichtlineare Analysen zu den Versagensmechanismen und der Variation des Bewehrungsgrades durchgeführt. Abschließend wird eine dreidimensionale nichtlineare Simulation des Umformungsprozesses vorgestellt und ausgewählte praxisrelevante Ergebnisse werden präsentiert.A shell-shaped concrete bridge is going to be erected along the railway line Koralmbahn between Graz and Klagenfurt using the Pneumatic Forming of Hardened Concrete (PFHC) construction method. The double-curved shell of the deer pass is built by lifting an initially flat hardened concrete plate with the aid of a pneumatic formwork and additional post tensioning cables at the circumference. This master-s thesis includes the description and analysis of a series of 16 preliminary four-point bending tests on rectangular concrete specimen. The aim is to determine the most suitable concrete-reinforcement combination for the transformation process from the plate to the shell. Using a numerical model of the bending experiments, which is calibrated to the test results, two-dimensional nonlinear analyses of failure mechanisms and variations of the reinforcement ratio are executed. Finally, the thesis describes a three-dimensional nonlinear simulation of the transformation process and presents some particularly chosen results
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