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An optimisation tool was developed to reduce the embodied carbon of floor systems. The consideredsystem consists of a doubly curved beam-like shell made of carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) prestressed concrete and an infill layer. The thin-walled design of the system makes it susceptible to sound excitation. Therefore, the optimisation tool considers the static ultimate and serviceability limit states and the sound insulation aspect. Due to a lack of experience with the building acoustic properties of this floor system, it is, in practice, often simplified as a homogeneous floor. This paper aims to investigate its acoustic behaviour in more detail using numerical simulations and to integrate the gained knowledge into the optimisation tool. For this purpose, a simulation concept is set up and implemented. Simulations are carried out for different combinations of geometry and material parameters of the floor system. The data obtained is summarised into linear regression equations that estimate the weighted airborne sound reduction index and the weighted equivalent normalised impact sound pressure level of the system. The optimisation results based on these equations show a clear difference compared to those based on the above-mentioned simplified approach.
Der Einsatz von hoch zugbeanspruchbarem und korrosionsbeständigem Carbongelege anstelle herkömmlichen Spannstahls ermöglicht es Beton vorzuspannen und gleichzeitig die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum zu reduzieren. Der Wechsel von massiven zu filigranen Bauteilen führt in der Regel aufgrund der geringeren thermischen Masse zu einer Abnahme des Feuerwiderstandes. Der Beitrag stellt Versuchsergebnisse zum Abplatzverhalten von Carbonbeton vor, die im Rahmen des Verbundvorhabens „Vorgespannte Carbonbetondecken mit reduzierten Querschnitten“ (CaPreFloor) erzielt wurden.
Der Einsatz von hoch zugbeanspruchbarem und korrosionsbeständigem Carbongelege anstelle herkömmlichen Spannstahls ermöglicht es Beton vorzuspannen und gleichzeitig die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum zu reduzieren. Der Wechsel von massiven zu filigranen Bauteilen führt in der Regel aufgrund der geringeren thermischen Masse zu einer Abnahme des Feuerwiderstandes. Der Beitrag stellt Versuchsergebnisse zum Abplatz- und Hochtemperaturverhalten von Carbonbeton vor, die im Rahmen des Verbundvorhabens „Vorgespannte Carbonbetondecken mit reduzierten Querschnitten“ (CaPreFloor) erzielt wurden. Für die Untersuchung der Tragfähigkeit bei hohen Temperaturen wurden 4-Punktbiegeversuche mit instationärer Temperaturbeanspruchung an vorgespannten Carbonbetonplatten bei Variation des Carbongeleges und des Vorspanngrades durchgeführt. Ferner erfolgte die Analyse der Abplatzneigung an bewehrten und unbewehrten Bauteilen mittels Brandversuchen unter Einheits-Temperaturzeitkurve.
Der Einsatz von hoch zugbeanspruchbarem und korrosionsbeständigem Carbongelege anstelle von herkömmlichem Spannstahl ermöglicht es Beton vorzuspannen und gleichzeitig die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum zu reduzieren. Das Carbongelege besteht aus Carbonfasern in einer Kunststoffmatrix. Mit dieser Bauweise können dünnwandige und damit ressourcenschonende Deckenelemente realisiert werden. Der Wechsel von massiven zu filigranen und vergleichsweise leichten Bauteilen führt jedoch aufgrund der geringeren Masse und der damit einhergehenden schnelleren Erwärmung zu einer Abnahme des Feuerwiderstands. Ferner führt die Erweichung der Matrix im Brandfall zu einer Abnahme der Verbundfestigkeit zwischen Carbongelege und Beton. Die Brennbarkeit des Carbongeleges sowie die Abplatzneigung des verwendeten Feinbetons stellen weitere Herausforderungen für den baulichen Brandschutz dar.
Der Beitrag stellt Versuchsergebnisse zum Abplatz- und Hochtemperaturverhalten von Carbonbeton vor, die im Rahmen des Verbundvorhabens „Vorgespannte Carbonbetondecken mit reduzierten Querschnitten“ (CaPreFloor) erzielt wurden. Für die Untersuchung der Tragfähigkeit bei hohen Temperaturen wurden 4-Punkt-Biegeversuche an balkenförmigen Prüfkörpern (150 x 30 x 6 cm³) mit einlagiger Carbonbewehrung und instationärer Temperaturbeanspruchung durchgeführt. Neben dem Vorspanngrad des Carbongeleges wurde auch der Gelegetyp variiert. Im Bereich der konstanten Biegezugzone erfolgt die einseitige Erwärmung mittels elektrisch betriebener Heizmatten. Während der kontinuierlichen Erwärmung werden die Prüfkörper mit einer konstanten Kraft belastet, deren Betrag aus zuvor durchgeführten Biegeversuchen bei Raumtemperatur abgeleitet wurde.
Die Abplatzversuche werden mit Einheits-Temperaturzeitkurve an rechteckigen (60 x 60 x 6 cm³) und kreisrunden (Ø 47 x 6 cm³), plattenförmigen Prüfkörpern am 1m³-Ofen der BAM durchgeführt. Die kreisrunden Prüfkörper sind zusätzlich mit einem Stahlring zur Behinderung der thermischen Dehnung des Betons versehen. Um den Einfluss des Geleges auf das Abplatzverhalten zu analysieren, werden sowohl Prüfkörper mit Carbongelege als auch unbewehrte Prüfkörper untersucht. Die daraus resultierenden Erkenntnisse fließen in die weitere Entwicklung der vorgespannten Carbonbetondeckenelemente ein. Anhand von realmaßstäblichen Brandversuchen wird der Feuerwiderstand dieser Bauteile im weiteren Projektverlauf bestimmt.
Der Einsatz von hoch zugbeanspruchbarem und korrosionsbeständigem Carbongelege anstelle von herkömmlichem Spannstahl ermöglicht es Beton vorzuspannen und gleichzeitig die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum zu reduzieren. Das Carbongelege besteht aus Carbonfasern in einer Kunststoffmatrix. Mit dieser Bauweise können dünnwandige und damit ressourcenschonende Deckenelemente realisiert werden. Der Wechsel von massiven zu filigranen und vergleichsweise leichten Bauteilen führt jedoch aufgrund der geringeren Masse und der damit einhergehenden schnelleren Erwärmung zu einer Abnahme des Feuerwiderstands. Ferner führt die Erweichung der Matrix im Brandfall zu einer Abnahme der Verbundfestigkeit zwischen Carbongelege und Beton. Die Brennbarkeit des Carbongeleges sowie die Abplatzneigung des verwendeten Feinbetons stellen weitere Herausforderungen für den baulichen Brandschutz dar.
Der Beitrag stellt Versuchsergebnisse zum Abplatz- und Hochtemperaturverhalten von Carbonbeton vor, die im Rahmen des Verbundvorhabens „Vorgespannte Carbonbetondecken mit reduzierten Querschnitten“ (CaPreFloor) erzielt wurden. Für die Untersuchung der Tragfähigkeit bei hohen Temperaturen wurden 4-Punkt-Biegeversuche an balkenförmigen Prüfkörpern (150 x 30 x 6 cm³) mit einlagiger Carbonbewehrung und instationärer Temperaturbeanspruchung durchgeführt. Neben dem Vorspanngrad des Carbongeleges wurde auch der Gelegetyp variiert. Im Bereich der konstanten Biegezugzone erfolgt die einseitige Erwärmung mittels elektrisch betriebener Heizmatten. Während der kontinuierlichen Erwärmung werden die Prüfkörper mit einer konstanten Kraft belastet, deren Betrag aus zuvor durchgeführten Biegeversuchen bei Raumtemperatur abgeleitet wurde.
Die Abplatzversuche werden mit Einheits-Temperaturzeitkurve an rechteckigen (60 x 60 x 6 cm³) und kreisrunden (Ø 47 x 6 cm³), plattenförmigen Prüfkörpern am 1m³-Ofen der BAM durchgeführt. Die kreisrunden Prüfkörper sind zusätzlich mit einem Stahlring zur Behinderung der thermischen Dehnung des Betons versehen. Um den Einfluss des Geleges auf das Abplatzverhalten zu analysieren, werden sowohl Prüfkörper mit Carbongelege als auch unbewehrte Prüfkörper untersucht. Die daraus resultierenden Erkenntnisse fließen in die weitere Entwicklung der vorgespannten Carbonbetondeckenelemente ein. Anhand von realmaßstäblichen Brandversuchen wird der Feuerwiderstand dieser Bauteile im weiteren Projektverlauf bestimmt.
The presented joint research project “CaPreFloor”, which started in 2023, aims to revolutionise the building construction practice by employing prestressed textile-reinforced concrete using carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) for the design of lightweight floor elements. This allows the reduction of common steel reinforced concrete floors of 30 cm thickness to 10 cm for office, residential, and hotel buildings. Lower material consumption significantly contributes to the conservation of resources and minimises the carbon footprint. In addition, the prefabrication of these floor elements leads to high and consistent quality, short construction times and enhanced reusability of the components.
A team of experts from various fields of research and practice is working on this project to achieve the set goal.
Fire tests on CFRP-reinforced concrete elements without and with various protection measures to prevent spalling are presented. The protection measures include the application of an intumescent coating to the fire exposed surface as well as the use of a modified concrete mixture containing polypropylene fibres (PP-fibres).
An optimisation tool was developed to reduce the embodied carbon of floor systems. The considered system consists of a doubly curved beam-like shell made of carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) prestressed concrete and an infill layer. The thin-walled design of the system makes it susceptible to sound excitation. Therefore, the optimisation tool considers the static ultimate and serviceability limit states and the sound insulation aspect. Due to a lack of experience with the building acoustic properties of this floor system, it is, in practice, often simplified as a homogeneous floor. This paper aims to investigate its acoustic behaviour in more detail using numerical simulations and to integrate the gained knowledge into the optimisation tool. For this purpose, a simulation concept is set up and implemented. Simulations are carried out for different combinations of geometry and material parameters of the floor system. The data obtained is summarised into linear regression equations that estimate the weighted airborne sound reduction index and the weighted equivalent normalised impact sound pressure level of the system. The optimisation results based on these equations show a clear difference compared to those based on the above-mentioned simplified approach.
Zur Bewertung der Biegetragfähigkeit dünnwandiger, carbonbewehrter Betonbauteile unter Temperatureinfluss wurden 4-Punkt-Biegeversuche in drei thermischen Konfigurationen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Raumtemperatur kein signifikanter Einfluss der Vorspannung auf die Bruchkraft vorliegt. Mit steigender Temperatur nimmt die Biegetragfähigkeit infolge des Festigkeitsverlustes von Beton und Carbonbewehrung sowie durch das Schmelzen der Tränkungsmatrix deutlich ab. Zwei Versagensmechanismen konnten identifiziert werden, d.h. Zugversagen bei hoher Vorspannung und Verbundversagen bei niedriger Vorspannung. Die Abnahme der Verbundfestigkeit ist auf das Erweichen der Tränkungsmatrix bei Überschreitung der Glasübergangstemperatur zurückzuführen. Bei Temperaturen oberhalb von
etwa 200 °C ist keine Tränkungsmatrix und daraus resultierende Verbundwirkung
mehr vorhanden.
Darüber hinaus wurden im Rahmen von Abplatzversuchen drei Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Betonabplatzungen im Brandfall untersucht, d.h. reaktives Brandschutzsystem (RBS), zementgebundene Brandschutzplatten sowie Zugabe von Polypropylenfasern (PP-Fasern) zur Betonmischung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Typ des Carbongeleges die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen beeinflusst. Während die Zugabe von PP-Fasern das Abplatzen bei beiden untersuchten Gelegetypen verhindern konnte, war dies bei RBS und Brandschutzplatten nur bei einem Gelegetyp erfolgreich. Die Ursache der Abplatzungen ist auf das temperaturbedingte Schmelzen und die damit einhergehende Volumenzunahme der im Gelege Q85 vorhandenen Hilfsfäden zurückzuführen. Dies führt zu einer Rissbildung parallel zur brandbeanspruchten Betonoberfläche. Der Dampfdruck im Beton ist trotz reduzierter Erwärmungsgeschwindigkeit zu hoch, weshalb es zum Abplatzen kommt. Im Gegensatz dazu bewirkt das Schmelzen der PP-Fasern eine Erhöhung der Permeabilität des Betons. Dadurch kann der entstehende Wasserdampf frühzeitig entweichen, sodass der Dampfdruck unterhalb der kritischen Schwelle bleibt, die für das Abplatzen erforderlich wäre.
In a joint research project, an interdisciplinary team of researchers and practitioners design a new prefabricated, prestressed floor system for common building constructions. To achieve a lightweight floor element, concrete with a high compressive strength is combined with high tensile strength carbon textile reinforcement. The corrosion resistant carbon textile reinforcement consists of carbon fibres embedded in a polymer matrix. The use of Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) allows a reduction of the required concrete cover and enables the design of thin-walled and highly efficient cross-sections in a variety of shapes.
However, the use of concrete with a high compressive strength increases the risk of explosive spalling of concrete under fire exposure. Experimental studies conducted at BAM have shown that the carbon textile reinforcement creates a discontinuity in the concrete resulting in a delamination of the concrete cover. Concrete spalling also depends on the type of CFRP-reinforcement. The comparison of the specimens with different CFRP-reinforcement shows an earlier event of spalling in the case of epoxy-based CFRP.
In the 8th International RILEM Workshop on Concrete Behaviour due to Fire Exposure, fire tests on CFRP-reinforced concrete elements without and with various protection measures to prevent spalling will be presented and discussed. The protection measures include the application of an intumescent coating to the fire exposed surface as well as the use of a modified concrete mixture containing polypropylene fibres (PP-fibres). The concrete mixtures used have a maximum grain size of 2 mm and correspond to concrete grade C50/60. The specimens include variants with and without carbon textile reinforcement. Two types of textile reinforcements are investigated, i.e., acrylate-based and epoxy-based resin. The specimens have circular and square forms. The lateral surfaces of the circular specimens are enclosed by a steel ring to restrain the thermal expansion of the concrete during the fire test. In contrast, at the square specimens a free thermal expansion is allowed. The fire tests are carried out with a fire exposure in accordance to the ISO-834 fire curve and without mechanical load. During the fire test, thermocouples are used to measure the temperature within the specimen and on the unexposed surface.
The fire test results show that the intumescent coating effectively prevents the concrete spalling in both unreinforced specimens and those with acrylate-based CFRP-reinforcement. However, the intumescent coating was not able to prevent the concrete spalling at the specimens with epoxy-based CFRP-reinforcement, despite the time of the spalling was delayed compared to uncoated specimens. The specimens containing PP-fibres show no spalling, which applies to both types of carbon textile reinforcement used as well as the unreinforced variant.
