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Klassifikation
Zusammenfassung
  • Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften von faserverstärkten Polymerstäben (FRP) Stäben haben sich diese als attraktive Alternative zur konventionellen Stahlbewehrung etabliert. FRP-Stäbe sind korrosionsbeständig, elektromagnetisch neutral, weisen geringe Lebenszykluskosten auf und besitzen potenziell eine geringe Umweltbelastung. Im Vergleich zu Stahlstäben weisen sie jedoch in der Regel einen niedrigen Elastizitätsmodul sowie ein lineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten ohne plastische Verformung auf. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, ihre Leistungsfähigkeit als tragende Bewehrung sowie den Einfluss ihrer Materialeigenschaften auf bestehende Bemessungsrichtlinien für Stahlbetonbauteile zu bewerten.In dieser Studie wird das Tragverhalten von FRP-bewehrten Betonstützen (FRP-Betonstützen) detailliert untersucht und mit dem von stahlbewehrte Betonstützen (Stahlbetonstützen) verglichen. Das Hauptziel der Arbeit besteht in der Entwicklung von Bemessungsrichtlinien und -methoden für schlanke FRP-Betonstützen im Rahmen des Eurocode 2. Die detaillierten Ziele dieser Studie sind: (1) Untersuchung der Schlankheitsgrenze von FRP-Betonstützen und Entwicklung einer Gleichung zur Bestimmung der Schlankheitsgrenze für die Bemessung; (2) Bewertung des Tragverhaltens schlanker FRP-Betonstützen, Ermittlung ihrer Nennkrümmung sowie Entwicklung einer Nennkrümmungsmethode zur vereinfachten Bemessung; (3) Untersuchung des Tragverhaltens schlanker FRP-Betonstützen mit ungleichen Endmomenten und Entwicklung einer Formulierung für den äquivalenten Momentenbeiwert für die Bemessung.Zur Erreichung dieser Ziele wurde ein numerisches Verfahren zur Berechnung schlanker Stützen nach Theorie 2. Ordnung entwickelt und erfolgreich als Direkte-Krümmungs-Methode (Direct Curvature Method, DCM) implementiert. Diese Methode basiert auf der Abschätzung der Stützenkrümmung unter Berücksichtigung der Endexzentrizitäten. Darüber hinaus wurde die Stützenverformungskurven-Methode (Column Deflection Curve Method, CDM), bei der die Krümmung numerisch integriert wird, implementiert. Beide Methoden wurden erfolgreich anhand experimenteller Ergebnisse aus der Literatur validiert.Es wurde festgestellt, dass die Schlankheit bei FRP-Betonstützen einen größeren Einfluss auf das Tragverhalten hat, als bei Stahlbetonstützen. Sie besitzen daher eine geringere Schlankheitsgrenze, ein charakteristisches Nennkrümmungsverhalten und erfordern einen überarbeiteten Ausdruck für den äquivalenten Momentenbeiwert im Eurocode 2. Es werden Gleichungen zur Abschätzung der Schlankheitsgrenze von FRP-Betonstützen vorgeschlagen. Auf Grundlage einer parametrischen Untersuchung von 26.880 FRP-Betonstützen wurde eine Nennkrümmungsmethode für die vereinfachte Berücksichtigung der Theorie 2. Ordnung entwickelt. Darüber hinaus wird eine Gleichung zur Bestimmung des äquivalenten Momentenbeiwerts auf Basis einer detaillierten Untersuchung von Stützen unter ungleichen Endmomenten vorgeschlagen. Schließlich werden normalisierte Last-Momenten-Interaktionsdiagramme präsentiert, die auf alle Arten von FRP-Stäben anwendbar sind und die Bemessung von kurzen und schlanken FRP-Betonstützen mithilfe der vorgeschlagenen Gleichungen ermöglichen. Damit liefert diese Studie einen umfassenden Ansatz für die Analyse und Bemessung von kurzen und schlanken FRP-Betonstützen im Rahmen des Eurocode 2.
Abstract
  • Due to the distinct material properties of the fiber-reinforced polymer (FRP) bars, they have emerged as an attractive alternative to conventional steel reinforcement. FRP bars are corrosion-resistant, electromagnetically neutral, have low life cycle costs and potentially have low environmental impact. However, they generally have a low modulus of elasticity and a linear stress-strain curve without any plastic deformation in comparison to steel bars. This raises the need to evaluate their performance as a structural reinforcement and the effect of their material properties on the existing design guidelines for reinforced concrete (RC) members. In this study, the behavior of FRP-reinforced concrete (FRP-RC) columns is studied in detail and compared to steel-reinforced concrete (steel-RC) columns. The primary objective of this study was to develop design guidelines and methods, within the framework of Eurocode 2, for slender FRP-RC columns. The detailed objectives of this study are outlined as: (1) To investigate the slenderness limit for FRP-RC columns and to develop an equation for slenderness limit as a design recommendation; (2) To assess the behavior of slender FRP-RC columns, evaluate their nominal curvature and to develop nominal curvature method for simplified second-order analysis of FRP-RC columns and (3) To examine the behavior of slender FRP-RC columns subjected to unequal end moments and to develop equivalent moment factor expression as a design recommendation.In order to achieve the objectives of this study, a numerical method for the second-order analysis of slender reinforced columns was developed and successfully implemented as the Direct Curvature Method (DCM). This method is based on the estimation of the column curvature while accounting for the end eccentricities. A second method, the Column Deflection Curve method (CDM), in which curvature is integrated numerically, was also implemented. Both methods were successfully validated using experimental results available from the literature.It was found in this study that FRP-RC columns are more susceptible to slenderness as compared to steel-RC columns. They exhibited a lower slenderness limit, distinct nominal curvature behavior and required a revised expression for equivalent moment factor compared to steel-RC columns. Equations to estimate the slenderness limit of FRP-RC columns are proposed. A nominal curvature method for simplified second-order analysis of FRP-RC columns is developed with the required equations derived based on a parametric study on 26,880 columns. Furthermore, an equation to estimate the equivalent moment factor is proposed based on a detailed parametric study of columns subjected to unequal end moments. Finally, normalized load-moment interaction diagrams, applicable to all types of FRP bars, are presented for the design of short and slender FRP-RC columns using the proposed equations. Hence, this study provides a comprehensive approach in the framework of Eurocode 2 for the design and analysis of short and slender FRP-RC columns.
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