2014 09 Bft Varianten Precast Element Production 1 7

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PRECAST ELEMENT PRODUCTION → Science and Research

64 BFT INTERNATIONAL 09·2014 ↗ www.bft-international.com

The main reason for using sandwich panels in building

construction is the structural and thermal efficiency that

can be achieved with this technology. This type of sys-

tem is known to provide adequate weather sheltering,

efficient acoustic performance and thermal insulation;

it has been widely applied in precast structural panels

[1]. However, concrete sandwich panels used for slabs or

walls usually consist of two external conventionally re-

inforced concrete layers separated by an insulation layerand mechanically connected through steel trusses that

penetrate the insulation layer, which cause undesirable

thermal bridging effects on the building envelope due to

their high thermal conductivity [2, 3]. The existence of

these thermal bridges increases the building energy de-

mand for heating and cooling, and thus their avoidance

is of fundamental importance in order to achieve more

thermally/energy-efficient and sustainable buildings.

To overcome this issue, an innovative panel solution

is currently under study [4-6] based on the use of thin

outer wythes of Steel-Fiber-Reinforced Self-Compacting

Concrete (SFRSCC) together with Glass-Fibre-Reinforced

Polymer (GFRP) connectors that are used jointly with athermal insulation core layer. The bottom concrete layer is

reinforced with conventional steel rebars and steel fibers,

whereas the upper layer is only reinforced with steel fibers.

Advantages of SFRSCC and GFRP

The role of SFRSCC is related to the inherent benefits of

using fiber-reinforced concrete instead of concrete with

conventional reinforcement, resulting in structurally effi-

cient and lightweight elements: generally, it presents high

post-cracking residual strength, crack control capacity,

toughness, impact resistance, durability and performance

when submitted to high temperatures due to the fiber re-inforcement mechanisms and as a result of the relatively

high fines content. Other advantages are related to the

possibility of reducing labor cost by eliminating the tasks

of placing the reinforcing bars or meshes in the outer

Hauptgrund für den Einsatz von Sandwichwänden imHochbau ist die mit dieser Technologie erzielbare kon-struktive und bauphysikalische Effizienz. Das Systembietet ausreichenden Wetterschutz sowie eine wirksameSchalldämpfung und Wärmedämmung; es wurde bereits vielfach in vorgefertigten konstruktiven Bauteilen einge-setzt [1]. Für Platten oder Wände eingesetzte Sandwich-elemente aus Beton bestehen jedoch üblicherweise aus

zwei äußeren, herkömmlich bewehrten Betonschichten,die durch eine Dämmschicht voneinander getrennt sindund mechanisch über Gitterträger aus Stahl verbundensind. Diese durchdringen die Dämmschicht, was we-gen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit zu unerwünschten Wärmebrückenwirkungen auf die Gebäudehülle führt[2, 3]. Das Vorhandensein dieser Wärmebrücken führtzu einer Erhöhung des Energiebedarfs für die Beheizungund Kühlung des Gebäudes. Daher ist die Vermeidungsolcher Wärmebrücken von entscheidender Bedeutung, umwärme-/energieeffizientere und nachhaltigere Gebäudezu erstellen.

Zur Überwindung dieses Problems wird derzeit eine

innovative Elementlösung untersucht [4-6], die auf demEinsatz von dünnen Außenschalen aus mit Stahlfasernbewehrtem, selbstverdichtendem Beton (SFRSCC) in Kom-bination mit Dübeln aus glasfaserverstärktem Kunststoff(GFK) und in Verbindung mit einem Dämmkern beruht. Dieuntere Betonschicht ist auf herkömmliche Weise mit Stahl-stäben und Stahlfasern bewehrt, in der oberen Schichtbefinden sich dagegen ausschließlich Stahlfasern.

Vorteile von SFRSCC und GFKDie Rolle von SFRSCC beruht auf den ihm eigenen Vor-

teilen aus dem Einsatz von faserbewehrtem Beton anstelle

von Beton mit herkömmlicher Stahlbewehrung. So ent-stehen leichte, jedoch konstruktiv wirksame Bauteile, die

wegen der Mechanismen der Faserbewehrung und wegen

des relativ hohen Feinkornanteils bei Einwirkung hoher

Temperaturen in der Regel über eine hohe Restfestigkeit

The external concrete layers of sandwich panels are often connected through metallic elements. These connectors tend tocause thermal bridging effects. This article introduces an innovative solution for precast sandwich slabs as part of a modularhousing system.

Die Schalen von Sandwichwänden sind oft mechanisch durch metallische Elemente verbunden. Dadurch entstehen Wärme-brücken. Der Beitrag stellt eine innovative Lösung vor für Fertigteil-Sandwichwände als Teil eines modularen Wohnbausystems.

Polymer and cement-based fiber-reinforcedcomposite materials for sandwich slabs

Text: Christoph de Sousa, Joaquim O. Barros, Miguel Azenha und Rodrigo Lameiras

Polymer- und zementbasierte, faserbewehrteVerbundwerkstoffe für Sandwichelemente


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Wissenschaft und Forschung ← FERTIGTEILHERSTELLUNG

09·2014 BFT INTERNATIONAL 65

nach der Rissbildung, die Fähigkeit zur Rissbreitenbe-

grenzung, Härte, Schlagzähigkeit, Dauerhaftigkeit und

Leistungsfähigkeit verfügen. Weitere Vorteile ergeben

sich aus der Möglichkeit der Reduzierung der Personal-

kosten durch den Wegfall der Arbeitsschritte der Platzie-

rung der Bewehrungsstäbe oder -matten in den äußeren

Betonschichten und der Verdichtung/Nivellierung des

Betons. So gestaltet sich die Standardisierung der ein-

zelnen Produktionsschritte einfacher. Darüber hinaus

kann die Dicke der äußeren Betonschichten reduziert

werden, da die für eine herkömmliche Stahlbewehrung

wegen der bestehenden Korrosionsgefahr vorgeschrie-bene Mindestbetondeckung für SFRSCC nicht gilt. Die

GFK-Dübel sind teilweise in die SFRSCC-Schichten ein-

gebettet und sind wegen ihrer niedrigen Wärmeleitfähig-

keit, ihrer hohen Dauerhaftigkeit in aggressiven Umge-

bungen und der niedrigen Anforderungen bei Wartung

und Instandhaltung eine vielversprechende Lösung für

modulare Wohnbaukonzepte. Die im hier beschriebenen

Forschungsprojekt untersuchte Fertigteil-Sandwichtafel

ist Teil eines vorgefertigten, modularen Wohnbausystems

und verfügt über eine Spannweite von 6,00 m. Die typi-

schen Querschnittsabmessungen und Konfigurationen/

Positionen unterschiedlicher Bestandteile (SFRSCC, GFK,Bewehrungsstäbe) wurden ausgehend von einer syste-

matischen Parameterstudie zur Optimierung des kon-

struktiven Konzepts festgelegt [7]. Das im vorliegenden

Artikel dargestellte Forschungsvorhaben konzentriert sich

auf die kleintechnischen Versuche, die zur Beurteilung

des Verhaltens der für die abgestimmte SFRSCC-GFK-

Sandwichtafellösung repräsentativen Elementabschnitte

durchgeführt wurden. Hierfür wurde ein experimentelles

Untersuchungsprogramm durchgeführt, das aus Biege-

und Querkraftversuchen für die Zustände der Gebrauchs-

tauglichkeit und Tragfähigkeit bestand.

. Experimenteller Teil. Probekörper und Materialien

Zur Beurteilung der konstruktiven Leistungsfähigkeit derSandwichtafeln, ihre Querkraft- und Biegeverhalten wurdefür kleine, 200 mm breite Sandwich-Elementabschnittemit den in Abb. 1a dargestellten Querschnittsabmessungeneiner Reihe von Versuchen durchgeführt. Die Dicke (60mm) der SFRSCC- und Dämmschichten (Polystyrol-Extru-derschaum) und der Grad der herkömmlichen Bewehrung(Rippenstäbe aus Stahl) in der unteren SFRSCC-Schicht(zwei Längsbewehrungsstäbe mit 10 mm Durchmesser)wurden auf Grundlage einer durchgeführten, an ande-

concrete layers and compacting/leveling the concrete,

thus allowing easier standardization of the production

steps. The thickness of the outer concrete layers can also

be reduced because the specified minimum concrete cover

that must be ensured for conventional steel reinforcement

due to corrosion concerns does not apply to SFRSCC. The

GFRP connectors are partially embedded in the SFRSCC

layers and constitute a promising solution for modular

housing applications due to their low thermal conductiv-

ity, high durability under aggressive environments and

low maintenance requirements. The precast sandwich slab

panel studied in this research is part of a pre-fabricatedmodular housing system and has a span of 6.00 m. The

typical cross-sectional dimensions and configurations/

positions of different elements (SFRSCC, GFRP, rebars)

was defined on the basis of a systematic parametric study

to optimize the structural concept [7]. The research re-

ported in this article focuses on the pilot experiments

performed for the assessment of the behavior of strips that

are representative of the defined SFRSCC-GFRP sandwich

panel solution. To this end, an experimental program was

performed, which comprised flexural and shear tests for

both service and failure conditions.

. Experimental research

.. Specimen prototypes and materialsTo assess the structural performance of the sandwich slabs

in terms of shear and flexural behavior, a series of experi-

ments was conducted on small, 200 mm wide sandwich

slab strips with the cross-sectional dimensions presented

in Figure 1a. The thickness (60 mm) of the SFRSCC and

insulation layers (extruded polystyrene foam) and the

amount of conventional reinforcement (ribbed steel re-

inforcing bars) in the bottom SFRSCC layer (two longi-

tudinal rebars of 10 mm in diameter) were determined

through the execution of a parametric study described

elsewhere [7]. Two different types of specimen prototypes

were tested under displacement control by imposing a load

at mid-span through a servo-actuator. For the first set of

prototypes, the ratio between the span and the effective

depth of the cross-section (l/d) was established as l/d=8

(see Figure 1b). This test series aimed to evaluate bending

behavior and observe the effectiveness of the SFRSCC/

GFRP structural system with regard to achieving the full

composite action under flexural loading (three specimens

referred to as F1, F2 and F3). The second set of specimens

had a smaller span length, corresponding to l/d=5, as de-

picted in Figure 1c. This configuration aimed to induce a

Figure: Sousa, Barros, Azenha, Lameiras

Slab prototypes[dimensions in mm]: a)cross-section adoptedfor the sandwich slabstrips; b) specimenwith l/d=; c) speci-men with l/d=

Elementprototypen[Abmessungen in mm]:a) für die Sandwich-Elementabschnitte ge-wählter Querschnitt;

b) Probekörper mitl/d = ; c) Probekörpermit l/d =

Table 1

Mixture compositionof SFRSCC accordingto Pereira, Barros,Ribeiro, Camões

Mischzusammenset-zung für SFRSCC nachPereira, Barros, Ribeiro,Camões

Cement [kg]

Zement [kg]

Limestone filler [kg]

Kalksteinfüller [kg]

Water [kg]

Wasser [kg]

Superplasticizer [kg]

Hochleistungs-Fließmittel [kg]

Fine sand [kg]

Feinsand [kg]

River sand [kg]

Flußsand [kg]

Crushed stone [kg]

Splitt [kg]Fibres [kg]Fasern [kg]

.

,

.

,

.

,

.

,

.

,

.

,


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shear transfer mechanism to the specimen during the static

loading conducted in the laboratory for evaluation of the

shear behavior (two specimens referred to as S1 and S2).

The materials contained in the composition of the

SFRSCC utilized for both concrete layers are: cement

CEM I 45.5R, limestone filler, water, a third-generation

superplasticizer based on polycarboxylates, three types

of aggregates (fine river sand, coarse river sand and

crushed granite) and hooked-end, 37 mm long steel

fibers with a diameter of 0.55 mm, an aspect ratio of 74

and a yield stress of 1,300 MPa. The mixture composi-

tion of the developed SFRSCC (developed according to

the design strategy described in [8]) is shown in Table 1.

A slump of the fresh SFRSCC over 620 mm was observed

when testing through an Abram’s cone in inverted po-

sition. As the relevant SFRSCC mechanical properties,

compressive strength [9] and modulus of elasticity [10]

were assessed at the age of 28 days by testing cylin-

ders with 150 mm in diameter and 300 mm in height.

The average compressive strength was 69.3 MPa witha standard deviation of 2.8 MPa, whereas the average

elasticity modulus was 35.5 GPa. The flexural behavior

and the parameters related to the post-cracking behav-

ior of the SFRSCC were assessed by using seven 150

× 150 × 600 mm3 notched beam specimens subjected

to a three-point bending test [11]. The corresponding

load versus crack mouth opening displacement (CMOD)

curves are shown in Figure 2a, where the average values

for the limit of proportionality (f fct,L

), equivalent (f eq,i

)

and residual (f R,j

) flexural tensile strength parameters are

also provided (obtained according to [11, 12]).

The GFRP connectors used in this research work were allmanufactured through a process called Vacuum Assisted

Resin Transfer Molding (VARTM) [13]. The composite was

comprised of a thermosetting polyester resin matrix and

E-glass fibers fabricated by cross-plying unidirectionally

reinforced layers in a 0° to ±45° stacking sequence. The

reinforcement consisted of 50 % of the fibers in the 0°

direction (longitudinal direction), and 50 % of the fibers

in the ±45° direction (inset of Figure 2b). The produced

laminates were 5.0 mm thick, having the necessary con-

tent of resin to impregnate the fibers, resulting in about

rer Stelle [7] beschriebenen Parameterstudie festgelegt.Durch Aufbringen einer Last in Feldmitte mit einem Servo-Stellglied wurden zwei verschiedene Arten von Probekör-per-Prototypen unter Steuerung und Überwachung derDurchbiegung geprüft. Für die erste Reihe von Prototypenwurde das Verhältnis zwischen der Spannweite und derwirksamen Querschnittshöhe (l/d) als l/d = 8 festgelegt(siehe Abb. 1b). Mit dieser Versuchsreihe sollten das Bie-geverhalten beurteilt und die Wirksamkeit des SFRSCC/GFRP-Tragsystems in Hinblick auf die Erzielung der vollen Verbundwirkung unter Biegebeanspruchung beobachtetwerden (drei Probekörper mit den Bezeichnungen F1, F2und F3). Die zweite Gruppe von Probekörpern verfügte übereine geringere Spannweite, die wie in Abb. 1c dargestelltl/d = 5 entsprach. Mit dieser Anordnung sollte währendder im Labor durchgeführten statischen Belastung zurBeurteilung des Querkrafttragverhaltens ein Mechanismuszur Übertragung der Querkräfte auf den Probekörper in-duziert werden (zwei Probekörper mit den Bezeichnungen

S1 und S2).In der für beide Betonschichten eingesetzten SFRSCC-

Mischungszusammensetzung waren folgende Bestandteileenthalten: Zement CEM I 45,5R, Kalksteinfüller, Wasser,ein Hochleistungsfließmittel der dritten Generation aufPolycarboxylat-Basis, drei Arten von Zuschlagstoffen (fei-ner Flusssand, grober Flusssand und Granitsplitt) sowiegekröpfte, 37 mm lange Stahlfasern mit einem Durch-messer von 0,55 mm, einem Schlankheitsgrad von 74 undeiner Streckgrenze von 1.300 MPa. Die Mischungszusam-mensetzung des gemäß in [8] dargestellter Entwurfsstra-tegie entwickelten SFRSCC ist in Tabelle 1 dargestellt.

Bei einem Versuch mithilfe des in umgekehrter Positionangeordneten Abrams-Kegels wurde für den SFRSCC-Frischbeton ein Ausbreitmaß von über 620 mm ermittelt. Als relevante mechanische Eigenschaften des SFRSCCwurden die Druckfestigkeit [9] und der Elastizitätsmodul[10] bei einem Betonalter von 28 Tagen ermittelt, in-dem 300 mm hohe Zylinder mit einem Durchmesser von150 mm geprüft wurden. Dabei lag die durchschnittlicheDruckfestigkeit bei 69,3 MPa mit einer Standardabwei-chung von 2,8 MPa. Der durchschnittliche E-Modul betrug35,5 GPa. Das Biegeverhalten und die für das Verhalten

Material characterization: a) load-CMOD curves obtained in the three-point notched SFRSCC beam bending tests;b) stress-strain relationship of the GFRP laminates, obtained through direct tensile tests

Materialcharakterisierung: a) Last-CMOD-Kurven, ermittelt im Drei-Punkt-Biegeversuch für vorgekerbte SFRSCC-Träger;b) Spannungs-Dehnungs-Verhältnis der GFK-Laminate, ermittelt in direkten Zugversuchen

F i g u r e : S o u s a , B a r r o s , A z e n h a , L a m e i r a s


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60 % of fibers and 40 % of resin in terms of overall volume.

After producing the GFRP profiles, circular holes of 30 mm

in diameter (with 75 mm spacing) were made by using a

drilling machine (see Figures 1b and 1c). Tensile tests were

executed with representative samples of the developed

GFRP laminates following the procedures described in

ASTM standard D 3039 [14] in order to assess their ten-

sile strength, stiffness and stress-strain relationship up to

failure. Taking into account the several directions of fiberswithin the laminates, the representative GFRP specimens

were loaded in three different directions (0°, 90° and

+45°). The mean values of the obtained tensile strength

were 391.7 MPa (standard deviation of 17.6 MPa), 136.6

MPa (st. dev. of 7.5 MPa) and 239.6 MPa (st. dev. of 8.7

MPa) for the 0°, 90° and +45° directions, respectively (as

shown in Figure 2b). The specimens presented an ultimate

strain of 24.915 μm/m (st. dev. of 1.586 μm/m), 22.488

μm/m (st. dev. of 1946 μm/m) and 23.073 μm/m (st. dev.

of 1.663 μm/m) for the 0°, 90° and +45° directions, respec-

tively. Moreover, the obtained average modulus of elastic-

ity were 16.49 GPa (with a st. dev. of 0.52 GPa), 6.79 GPa

(with a st. dev. of 0.38 GPa) and 9.82 GPa (with a st. dev.

of 0.34 GPa) for the 0°, 90° and +45° directions, respec-

tively. The stress-strain relationship obtained through the

direct tensile tests conducted on GFRP laminate samples

is shown in Figure 2b.

.. Test setup and procedureThe SFRSCC-GFRP sandwich panels were simply supported

with a roller and pin configuration at a 30 mm distance

from both ends, creating span lengths of 1,205 mm and

785 mm for the F1-F3 and S1-S2 specimens, respectively.

The experiments were carried out with displacement con-

trol by a servo-hydraulic actuator at mid-span, centeredwith the specimen. A rate of 0.01 mm/s was applied to

the controlled displacement up to a maximum of 50 mm.

The instrumentation of the specimens F1-F3 is shown in

Figure 3c. Two Linear Variable Differential Transducers

des SFRSCC nach der Rissbildung maßgeblichen Parameterwurden mithilfe von sieben 150 × 150 × 600 mm mes-senden, vorgekerbten Probekörpern beurteilt, die einemDrei-Punkt-Biegeversuch unterzogen wurden [11]. Dieentsprechenden Last-Rissöffnungsverschiebungs-Kurven(CMOD; Crack Mouth Opening Displacement) sind inAbb. 2a dargestellt. Dort finden sich ebenfalls die Durch-schnittswerte der Proportionalitätsgrenze (f

fct,L) sowie der

äquivalenten (f eq,i) und residuellen (f R,j) Biegezugfestigkeit(ermittelt gemäß [11, 12]). Alle im hier beschriebenen Forschungsvorhaben ver-

wendeten GFK-Dübel wurden in einem Verfahren ge-fertigt, das als Vacuum Assisted Resin Transfer Molding(VARTM; vakuumunterstützte Harzinjektion) bezeichnetwird [13]. Das Verbundmaterial bestand aus einer duro-plastischen Polyesterharzmatrix und E-Glasfasern, diedurch kreuzweise Laminierung unidirektional verstärkterLagen in einer Stapelsequenz von 0° bis ±45° hergestelltwurden. Bei der Verstärkung waren 50 % der Fasern in der0°-Richtung (Längsrichtung) und die anderen 50 % derFasern in der ±45°-Richtung angeordnet (kleines Bild oben

in Abb. 2b). Die hergestellten Laminate wiesen eine Dicke von 5,0 mm auf und verfügten über den für die Impräg-nierung der Fasern erforderlichen Harzanteil. Insgesamtbestand ihr Volumen aus 60 % Fasern und 40 % Harz. Nachder Fertigung der GFK-Profile wurden mit einer Bohrma-schine kreisförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von 30 mm (in einem Abstand von 75 mm) eingebracht(s. Abb. 1b und 1c). Repräsentative Proben der entwickel-ten GFK-Laminate wurden Zugversuchen gemäß ASTM-Norm D 3039 [14] unterzogen, um ihre Zugfestigkeit undSteifigkeit sowie ihr Spannungs-Dehnungs-Verhalten bis

F i g u r e :

S o u s a,

B a r r o s

, A z e n h

a, L a m e

i r a s

Test configurationand instrumentationadopted for specimensF-F (a, c) and S-S(b, d)

Gewählte Versuchsan-ordnung und Messein-richtungen für Probe-körper F-F (a, c) und

S-S (b, d)

a)

c)

b)

d)

Example showingLVDT fixation

Beispiel mit Darstel-lung der LVDT-Befes-tigungFigure: Sousa, Barros, Azenha, Lameiras


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(LVDT) were used to measure the mid-span vertical deflec-

tion at the top of the upper SFRSCC layer (LVDT-1) and at

the bottom of the specimen (LVDT-2) – see LVDT fixation

example in Figure 4. An additional pair of LVDTs was used

to measure the relative longitudinal displacement between

the two wythes of SFRSCC (LVDT-3 and LVDT-4). Fur-

thermore, two strain gauges were positioned in the GFRP

laminate to assess the development of strain due to the load

transfer between SFRSCC wythes: sensors SG-1 and SG-2

shown in Figure 3c (±45°). In the case of specimens F1-F3,

the insulation layer was removed to enable the mounting

of strain gauges and the visualization of the GFRP con-

nectors during testing. The test configuration adopted for

S1-S2 specimens includes two LVDTs that measure the

vertical deflection of both SFRSCC layers (LVDT-5 and

LVDT-6 represented in Figure 3d). As no strain gauges

were mounted on the GFRP laminate, the insulation layer

was maintained throughout the testing process.

.. Results and discussionThe results obtained for specimens F1-F3 are shown in

Figures 5 and 6. Figure 5a shows that all specimens ex-

hibited a high load and deformational capacity, with a

zum Versagen zu beurteilen. Unter Berücksichtigung derunterschiedlichen Ausrichtung der Fasern innerhalb derLaminate wurden die repräsentativen GFK-Probekörper indrei unterschiedlichen Richtungen belastet (0°, 90° und+45°). Die Mittelwerte der ermittelten Druckfestigkeitenlagen für die Richtungen 0°, 90° und +45° bei 391,7 MPa(Standardabweichung 17,6 MPa), 136,6 MPa (Standardab-weichung 7,5 MPa) und 239,6 MPa (Standardabweichung8,7 MPa) (s. Darstellung in Abb. 2b). Für die Probekörperwurden in den Richtungen 0°, 90° und +45° Bruchdeh-nungen ermittelt von 24.915 μm/m (Standardabweichung1.586 μm/m), 22.488 μm/m (Standardabweichung 1.946μm/m) und 23.073 μm/m (Standardabweichung 1.663μm/m). Darüber hinaus wurden für die Richtungen 0°,90° und +45° durchschnittliche E-Module bestimmt von16,49 GPa (mit einer Standardabweichung von 0,52 GPa),6,79 GPa (Standardabweichung 0,38 GPa) und 9,82 GPa(Standardabweichung 0,34 GPa). Die durch die direktenZugversuche an GFK-Laminat-Probekörpern ermittelte

Spannungs-Dehnungs-Beziehung ist in Abb. 2b darge-stellt.

. Versuchsaufbau und VerfahrenDie SFRSCC-GFK-Sandwichtafeln waren frei auf zweiRollen mit Laschen aufgelagert, die in einem Abstand von30 mm von den beiden Enden angeordnet waren. Darausergaben sich Spannweiten von 1.205 beziehungsweise 785mm für die Probekörper F1 bis F3 beziehungsweise S1 bisS2. Bei den durchgeführten Versuchen wurde die Verschie-bung über ein in Feldmitte zentriertes servohydraulischesStellglied gesteuert. Für die kontrollierte Verschiebung

wurde eine Geschwindigkeit von 0,01 mm/s bis zum Ma-ximum von 50 mm gewählt. Die Messeinrichtungen derProbekörper F1 bis F3 sind in Abb. 3c dargestellt. ZurMessung der vertikalen Auslenkung in Feldmitte wurdenzwei linearvariable Wegaufnehmer (LVDT) auf der oberenSFRSCC-Lage (LVDT-1) und auf der Unterseite des Probe-körpers (LVDT-2) angebracht – siehe Beispiel für LVDT-Befestigung in Abb. 4. Ein weiteres LVDT-Paar wurde fürdie Messung der relativen Längsverschiebung der beidenSFRSCC-Schalen verwendet (LVDT-3 und LVDT-4). Zudemdienten zwei Dehnungsmessstreifen im GFK-Laminat zurBeurteilung der Dehnungsentwicklung durch die Lastüber-tragung zwischen den SFRSCC-Schalen (Sensoren SG-1

und SG-2 in Abb. 3c (±45°)). Bei den Probekörpern F1bis F3 wurde die Dämmschicht entfernt, um die Montageder Dehnungsmesser und die Visualisierung der GFK-Dübel während der Versuche zu ermöglichen. Der für dieProbekörper S1 bis S2 gewählte Versuchsaufbau umfasstzwei LVDTs, die die vertikale Auslenkung beider SFRSCC-Schichten erfassen (LVDT-5 und LVDT-6 in Abb. 3d). Dadas GFK-Laminat nicht mit Dehnungsmessstreifen verse-hen wurde, wurde die Dämmschicht bei allen Versuchenunverändert belassen.

. Ergebnisse und Diskussion

Die für die Probekörper F1 bis F3 erhaltenen Ergebnissesind in Abb. 5 und 6 dargestellt. Abb. 5a zeigt, dass alleProbekörper über ein hohes Lastaufnahme- und Verfor-mungsvermögen verfügten. Dabei kam es nach Aufbrin-gen der Höchstlast zu einer Phase mit Entfestigung, in

Load versus deflection curves obtained for F-F specimens: a) load-de-flection of the upper SFRSCC layer; b) load-deflection obtained through allLVDTs until peak load; c) typical load-deflection curve/behavior

Ermittelte Last-Durchbiegungskurven für Probekörper F bis F; a) Last-Durchbiegungskurve für obere SFRSCC-Schicht; b) über alle LVDT ermittelteLast-Durchbiegungskurve bis zur Höchstlast; c) typische/s Last-Durchbie-gungs-Kurve/Verhalten



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post-peak structural softening phase where

the load is gradually decreasing in line with

the increase of the deflection (measured at

the upper SFRSCC layer through LVDT-1 and

through the internal transducer of the actua-

tor). The load-deflection response obtained

through all LVDTs until the peak load is shown

in Figure 5b, where a very similar pre-peak

response is observed for all specimens in both

SFRSCC wythes, which is a good indication

about the composite action of this structural

system. In respect of the overall behavior

under flexural loading, three distinct stages

can be identified when analyzing the typical

load-deflection behavior obtained during the

experiments (see Figure 5c): (I) linear elastic

behavior until appearance of the first crack;

(II) stiffness reduction due to cracking in the

bottom SFRSCC layer (see Figure 6a); (III)

post-peak softening phase, with appearanceand continuous opening of a localized macro-

crack in both SFRSCC wythes (see Figure 6b)

and characterized by perforation of the upper

SFRSCC layer’s concrete cover, caused by the

GFRP connector (see Figure 6c). The data col-

lected through the LVDTs utilized for measur-

ing the relative displacement between SFRSCC

wythes is shown in Figure 7a. It can be seen

that the SFRSCC layers registered some ex-

tent of relative displacement (reaching up

to 3 mm), mainly due to slippage between

SFRSCC and GFRP connector, which is clearlymore evident after the crack formation phase.

Relatively homogeneous results were again

der die Last entsprechend der Erhöhung derDurchbiegung allmählich abnahm (gemessenan der oberen SFRSCC-Schicht über LVDT-1und über den internen Messumformer desStellglieds). Abb. 5b zeigt das über alle LVDTserfasste Last-Verschiebungsverhalten bis zurHöchstlast. Dabei wurde für alle Probekörperin beiden SFRSCC-Schalen ein sehr ähnliches Verhalten vor Aufbringung der Höchstlast be-obachtet, das aussagekräftige Hinweise aufdie Verbundwirkung dieses Tragsystems lie-fert. Hinsichtlich des Gesamtverhaltens unterBiegebeanspruchung können bei der Analysedes bei den Versuchen ermittelten typischenLast-Verschiebungsverhaltens drei Phasenunterschieden werden (siehe Abb. 5c): (I) li-nearelastisches Verhalten bis zum Auftauchendes ersten Risses; (II) Reduktion der Steifigkeitdurch Rissbildung in der unteren SFRSCC-

Schicht (s. Abb. 6a); (III) Entfestigung nach Aufbringen der Höchstlast mit Auftauchenund kontinuierlicher Öffnung eines lokalisier-ten Makrorisses in beiden SFRSCC-Schalen(s. Abb. 6b) sowie gekennzeichnet durch vomGFK-Dübel verursachte Perforation der Beton-deckung der oberen SFRSCC-Schicht (s. Abb.6c). Abb. 7a zeigt die über die LVDTs erho-benen Daten, die zur Messung der relativen Verschiebung zwischen den SFRSCC-Schalendienten. Es wird deutlich, dass die SFRSCC-Schichten eine gewisse relative Verschiebung

zeigten (bis zu 3 mm) – vor allem wegen einesGleitens zwischen SFRSSC und GFK-Dübel,das nach der Phase der Rissbildung wesentlich

F i g u r e : S o u s a ,

B a r r o s , A z e n h a , L a m e i r a s

Failure mode for specimens F-F:a) development of cracks in the bot-tom SFRSCC layer; b) developmentof macro-cracks in both layers; c)perforation of the concrete cover bythe GFRP connector

Versagensarten für Probekörper Fbis F: a) Rissbildung in der unterenSFRSCC-Schicht; b) Bildung von Ma-krorissen in beiden Schichten; c) Per-foration der Betondeckung durch denGFK-Dübel

a)

c)

b)

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obtained for all specimens in the pre-peak phase. In ad-dition to the above-mentioned results, the data collected

through the use of strain gauges is shown in Figure 7b,

which indicates that the strain values obtained for both

specimens reveal that the GFRP laminate behaves linearly

throughout the tests, even for the unloading phase.

In respect of the assessment of the structural behavior

under shear loading (S1-S2), Figure 8a shows the load-

deflection results obtained through the LVDTs (in accor-

dance with Figure 3d), again demonstrating a noticeably

ductile behavior. Specimens S1 and S2 presented a very

similar behavior under shear loading, both reaching a

peak load of approximately 70 kN at a 3.5 mm deflection.

Similarly to the flexural loading case, the behavior of thetested specimens can essentially be divided into three

phases: (I) linear elastic behavior until appearance of the

first cracks; (II) stiffness reduction due to cracking in both

SFRSCC layers (localized mainly in the central part of the

specimen – see Figure 8b); (III) softening range (post-peak

behavior), characterized by the appearance and continu-

ous opening of macro-cracks in the central part of both

SFRSCC layers (see Figure 8c), with perforation of the

upper SFRSCC layer by the GFRP connector (this effect

is even more pronounced in the case of shear loading).

. Numerical simulations A finite-element method (FEM) based analysis was con-

ducted in order to numerically simulate the behavior of

the SFRSCC-GFRP sandwich slab panels under flexural

loading. This analysis was conducted using version 4.0

deutlicher ausgeprägt war. In der Phase vor Aufbringender Höchstlast wurden wiederum für alle Probekörperrelativ homogene Ergebnisse dokumentiert. Zusätzlichzu den genannten Ergebnissen zeigt Abb. 7b die überdie Dehnungsmessstreifen erhobenen Daten, die daraufhinweisen, dass die für beide Probekörper gemessenenDehnungen in allen Versuchen ein lineares Verhalten desGFK-Laminats selbst in der Entlastungsphase belegen.

Zur Beurteilung des Tragverhaltens unter Querkraft-beanspruchung (S1 und S2) sind in Abb. 8a die über dieLVDTs erhaltenen Ergebnisse zum Last-Durchbiegungs- verhalten dargestellt (analog zu Abb. 3d). Erneut zeigtesich ein deutlich duktiles Verhalten. Die Probekörper S1und S2 zeigten unter Querkraftbeanspruchung ein sehrähnliches Verhalten mit einer Höchstbelastung von rund70 kN bei einer Durchbiegung von 3,5 mm. Ähnlich wiebei der Biegebeanspruchung können beim Verhalten derProbekörper im Wesentlichen drei Phasen unterschiedenwerden: (I) linearelastisches Verhalten bis zum Auftau-

chen der ersten Risse; (II) Reduktion der Steifigkeit wegenRissbildung in beiden SFRSCC-Schichten (vor allem imzentralen Bereich des Probekörpers – s. Abb. 8b); (III)Entfestigung (Verhalten nach Höchstbelastung), gekenn-zeichnet durch das Auftauchen und die kontinuierlicheÖffnung von Makrorissen im zentralen Bereich beiderSFRSCC-Schichten (s. Abb. 8c), mit Perforation der oberenSFRSCC-Schicht durch den GFK-Dübel (diese Wirkungzeigt sich noch deutlicher unter Querkraftbeanspruchung).

. Numerische SimulationenZur numerischen Simulation des Verhaltens der SFRSCC-

GFK-Sandwichelemente unter Biegebeanspruchung wur-de eine Analyse mithilfe der Finite-Elemente-Methode(FEM) durchgeführt. Für diese Analyse wurde die Version4.0 der FEMIX-Software eingesetzt [15]; sie konzentriertesich vorwiegend auf das Verhalten der Sandwichelementeim Gebrauchszustand. Die in der numerischen Simulati-on angewandten Materialeigenschaften beruhen auf denbei der zuvor genannten Materialcharakterisierung erho-

Additional resultsobtained for F-Fspecimens: a) relativedisplacement betweenSFRSCC wythes;b) strains in the GFRPconnector

Für Probekörper F bisF ermittelte zusätzli-che Ergebnisse: a) rela-tive Verschiebung zwi-schen SFRSCC-Schalen;b) Dehnungen im GFK-Dübel


Experimental study onthe shear specimens(S-S): a) obtainedresults; b) failuremode

Experimentelle Unter-suchung der Querkraft-Probekörper (S undS): a) erhaltene Er-gebnisse; b) Versa-gensarten

F i g u r e : S o u s a , B a r

r o s , A z e n h a , L a m e i r a s

b)


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of the FEMIX computer program [15] and

focused mainly on the service behavior of

the sandwich slabs. The material proper-

ties used in the numerical analysis are

based on the data collected through the

aforementioned material characteriza-

tion, namely by adopting average values

determined from experimental tests con-

ducted on SFRSCC and GFRP laminates.

The SFRSCC layers were simulated using

20-node solid elements with a 2 x 2 x 2

Gauss-Legendre integration scheme, and

the GFRP connector was modeled using

8-node Mindlin shell elements with a 2 x

2 Gauss-Legendre integration scheme. The

resulting FEM mesh is shown in Figure 9.

For the simulation of the SFRSCC fracture

properties, a tri-linear tension softening

diagram was adopted in accordance with

the values obtained experimentally and by conducting an inverse analysis. The in-

verse analysis and the adopted 3D smeared

crack model are described in [16]. The load

versus deflection obtained numerically is

compared in Figure 5b (red curve) to the

responses registered experimentally up to

peak load. It can be seen that a reason-

ably good coherence is achieved, with a

good simulation of the stiffness reduction

after cracking initiation. The observed

coherence also validates the assumption

of a perfect bond between concrete andGFRP up to a load level of about 70 % of

the peak load. Above this load level, the

sliding between the GFRP connector and

surrounding SFRSCC should be modeled in

order to better simulate the greater stiff-

ness degradation. Figure 10 illustrates the

numerically obtained crack pattern for the

peak load (approximately 63 kN). It illus-

trates that it resembles the experimentally

obtained cracking pattern (shown previ-

ously in Figure 6b): several cracks can be

benen Daten, insbesondere wurden hierDurchschnittswerte aus experimentellen

Versuchen an SFRSCC und GFK-Laminatenzugrunde gelegt. Die SFRSCC-Schichtenwurden mit 20-Knoten-Solid-Elementenmit einem 2 x 2 x 2 Gauss-Legendre-Inte-grationsschema modelliert, der GFK-Dübelmit 8-Knoten-Mindlin-Schalenelementenebenfalls mit einem 2 x 2 x 2 Gauss-Le-gendre-Integrationsschema. Abb. 9 zeigtdas sich daraus ergebende FEM-Gitter. ZurSimulation der bruchmechanischen Eigen-schaften des SFRSCC wurde ein Dreiecks-Entfestigungsdiagramm auf Grundlage derin den Versuchen erhaltenen Werte undnach Durchführung einer inversen Analysegewählt. Die inverse Analyse und das ge-wählte verschmierte 3D-Rissmodell sind in[16] beschrieben. Das numerisch bestimmte

Last-Durchbiegungsverhalten wird in Abb.5b (rote Kurve) mit den in den Versuchendokumentierten Reaktionen bis zur Höchst-belastung verglichen. Hier zeigt sich ein re-lativ hoher Übereinstimmungsgrad mit guterSimulation der Steifigkeitsreduktion nachRissinitiierung. Die beobachtete Kohärenzder Ergebnisse validiert zudem die Annah-me eines vollständigen Verbunds zwischenBeton und GFK bis zu einem Beanspru-chungsniveau von 70 % der Höchstlast. Überdiesem Belastungsniveau sollte das Gleiten

zwischen dem GFK-Dübel und dem umge-benden SFRSCC modelliert werden, um diehöhere Reduktion der Steifigkeit besser si-mulieren zu können. Abb. 10 zeigt das für dieHöchstlast (rund 63 kN) numerisch bestimmteRissbild. Dabei wird eine Ähnlichkeit mitdem in den Versuchen erhaltenen Rissbilddeutlich (wie zuvor in Abb. 6b dargestellt):Es finden sich mehrere Risse entlang derunteren Schicht mit einer geringeren Zahlkleinerer Risse auf der oberen Schicht (inbeiden Fällen mit einer höheren Risskonzen-

FEM mesh adopted in the numerical simulations

In den numerischen Simulationen eingesetztes FEM-Gitter



Crack pattern obtained through finite-element analysis

Durch Finite-Elemente-Analyse erhaltenes Rissbild

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tration im zentralen Bereich des Probekörpers; dort wurdenbei den Versuchen die Makrorisse lokalisiert).

. FazitIn dem hier dargestellten Forschungsvorhaben wurde eineinnovative Lösung für Sandwichelemente mit Schich-ten aus stahlfaserbewehrtem, selbstverdichtendem Beton(SFRSCC) und Dübeln aus glasfaserverstärktem Kunststoff

(GFK) vorgeschlagen und experimentell untersucht. Die Versuche bestätigen, dass Sandwichelemente aus SFRSCC-GFK erhebliche Einwirkungen aus Biege- und Querkraft-beanspruchungen aufnehmen können und dabei ein deut-lich duktiles Verhalten zeigen. Im Allgemeinen zeigten dieerhobenen Daten bis zur Höchstbelastung hochkonsisten-te Ergebnisse; in der Phase der Entfestigung wichen dieErgebnisse dagegen deutlicher voneinander ab. Zudemist auf das für die GFK-Dübel in allen Versuchen doku-mentierte, überwiegend lineare Verhalten hinzuweisen.In einigen Fällen zeigte sich selbst in der Entlastungs-phase ein deutlich lineares Verhalten, was insbesondere

für das vorgestellte Sandwich-Elementsystem ein wich-tiges Ergebnis darstellt. Die durchgeführte numerischeSimulation konzentrierte sich vor allem auf das Verhaltender Sandwichelemente im Gebrauchszustand, wobei auchdas nichtlineare Verhalten des SFRSCC infolge der Riss-initiierung und -ausbreitung betrachtet wurde. Bis zur

identified along the bottom layer, with fewer and smaller

cracks appearing in the upper layer (in both cases with

higher concentration of cracks in the central part of the

specimen, where the macro-cracks were identified during

the experimental research).

. Conclusions

In this study, an innovative sandwich slab panel solu-

tion comprising steel-fiber-reinforced self-compactingconcrete (SFRSCC) layers and glass-fiber-reinforced

polymer (GFRP) laminate connectors was proposed and

experimentally tested. The experimental work confirms

that SFRSCC-GFRP sandwich slab panels can withstand

significant flexural and shear loading actions whilst ex-

hibiting a considerably ductile behavior. In general, col-

lected data presented very consistent results until peak

load, with more disperse results for the softening range

of the structural behavior. Moreover, it is important to

note the predominantly linear behavior shown by the

GFRP laminate connectors throughout all experiments,

exhibiting in some cases a remarkably linear behavioreven for the unloading stage, which is an important con-

clusion specifically with regard to the proposed sandwich

slab system. The conducted numerical research focused

mainly on the in-service behavior of the sandwich slabs,

with consideration of the material nonlinear behavior of



Rodrigo de Melo Lameiras is an Assistant Pro-

fessor at the Federal University of Latin America

Integration (UNILA), Brazil. He holds a M.S. in Civil

Engineering by the Federal University of Rio Gran-

de do Sul and is a PhD candidate at the Minho Uni-

versity (UM), Portugal. Current research activities

are in assessment and modeling of mechanical

behaviour of Fibre Reinforced Concrete (FRC).

Christoph de Sousa is a PhD candidate at the

Minho University (UM) and a member of the

Structural Composites Group of UM and the

Institute for Sustainability and Innovation in

Structural Engineering (ISISE). He worked as a

research fellow at UM, conducting experimental

and numerical studies related to the design and

structural behavior of sandwich slab panels.

Joaquim A. O. Barros is Full Professor of the

Department of Civil Engineering of Minho

University (UM), coordinator of the Structural

Composites Group of UM and the Structural

Concrete of ISISE. He is member of several ACI,

fib and RILEM Technical committees and author

of more than 600 technical and scientific publi-

cations, with a h-Index-Scopus of 17.

Miguel Azenha is an Assistant Professor at the

Department of Civil Engineering of Minho Univer-

sity (UM), member of the Structural Composites

Group of UM and the Institute for Sustainability

and Innovation in Structural Engineering (ISISE).

He is secretary of RILEM technical committee CMS

(Thermal cracking of massive concrete structures)

and member of RILEM TC-MMB and ACI 231.

ACKNOWLEDGEMENTS

This work is part of the research project QREN number 5387

“LEGOUSE – Development of cost competitive pre-fabricated

modular buildings”, involving the Companies Mota Engil, Civi-

Test, the ISISE/University of Minho and PIEP. The first author

acknowledges the research grant under the referred project andthe fourth author would like to thank the FCT for financial sup-

port through the PhD grant SFRH/BD/64415/2009.

DANKSAGUNG

Das vorliegende Projekt ist Bestandteil des Forschungsvorhabens QREN

Nr. 5387 „LEGOUSE – Entwicklung von kostengünstigen, vorgefertigten

modularen Gebäuden“ unter Beteiligung der Unternehmen Mota Engil,

CiviTest, der ISISE/Universität Minho und PIEP. Der Erstautor dankt für

das innerhalb des genannten Projekts gewährte Forschungsstipen-dium; der Viertautor dankt der FCT für die finanzielle Unterstützung

durch das Doktorandenstipendium Nr. SFRH/BD/64415/2009.


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the SFRSCC layers due to crack initiation and propaga-

tion. Good agreement was observed between the numeri-

cal predictions and the experimental findings until peak

load. The results presented in this research work confirm

the feasibility of the proposed sandwich slab system for

the modular housing construction concept under develop-

ment as part of this applied research project.

Höchstbelastung wurde ein hoher Übereinstimmungsgradder numerischen Prognosen mit den Versuchsergebnissendokumentiert. Die Ergebnisse des hier vorgestellten Pro- jekts bestätigen die Eignung des vorgeschlagenen Sand-wich-Elementsystems für das gegenwärtig im Rahmendieses Vorhabens der angewandten Forschung entwickeltemodulare Wohnbaukonzept.

2014 09 Bft Varianten Precast Element Production 1 7

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