Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

RWTH Aachen University, Diss., 2008.

Textile Reinforced Concrete shows a complex load-bearing behaviour, which depends on material properties of the composite constituents and load transfer mechanisms in between. These properties cannot be modified arbitrarily in experimental investigations, which complicates identification of the impact of certain mechanisms on composite’s behaviour. In this respect, theoretical investigations offer the possibility to study the influence of individual parameters. At first, experimental results of tensile-loaded specimens are given, which help to identify different mechanisms in advance. Afterwards, respective results of numerical calculations with a reduced two-dimensional model are presented to study these mechanisms, including the effects of a reduced stiffness in the cracked state, yarn waviness and tension softening of the cementitious matrix.

Textile Reinforced Concrete shows a complex load-bearing behaviour, which depends on material properties of the composite constituents and load transfer mechanisms in between. These properties cannot be modified arbitrarily in experimental investigations, which complicates identification of the impact of certain mechanisms on composite’s behaviour. In this respect, theoretical investigations offer the possibility to study the influence of individual parameters. At first, experimental results of tensile-loaded specimens are given, which help to identify different mechanisms in advance. Afterwards, respective results of numerical calculations with a reduced two-dimensional model are presented to study these mechanisms, including the effects of a reduced stiffness in the cracked state, yarn waviness and tension softening of the cementitious matrix.

Neben Reifen, Riemen und Schläuchen zählen speziell auch die Balgwände von Luftfedern zu den Kompositen, da deren weiche Elastomermatrix zur Verstärkung Gewebelagen aus textilen Corden enthält. Diese Verstärkungsträger bestehen aus miteinander verzwirnten Garnen, die ihrerseits einen Zwirn aus polymeren Filamenten darstellen. Luftfederbälge weisen dementsprechend eine hochkomplexe innere Geometrie auf und sind zudem durch stark anisotropes, nichtlineares Materialverhalten gekennzeichnet. Für die strukturmechanische Simulation von Luftfedern mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden in der vorliegenden Arbeit neuartige, hochauflösende Modelle entwickelt, die diesen Eigenschaften Rechnung tragen. Zunächst wird ein mathematisches Modell formuliert, das die verzwirnte Geometrie von Corden auf allgemeinen räumlichen Bahnkurven beschreibt und mithilfe dessen sich auch die lokale Orientierung der Filamente bestimmen lässt. Zur konstitutiven Modellierung des Filamentmaterials wird zudem ein transversal isotropes, hyperelastisches Materialmodell so modifiziert, dass bei Druckbelastung in Filamentrichtung nur noch die der Regularisierung dienende, isotrope Grundsteifigkeit zum Tragen kommt. Das Geometriemodell der Corde ist die Basis für deren dreidimensionale Abbildung in FE-Netzen von Luftfederbälgen. Als erster Schwerpunkt wird ein auf zyklischer Symmetrie basierendes Streifenmodell entwickelt, das die Cordgeometrie im gesamten Balg vollständig auflöst. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Generierung konformer Netze, um die Grenzflächen zwischen Matrix und Corden exakt darzustellen. Das Streifenmodell ermöglicht somit detaillierte Analysen zur lokalen Verteilung von Spannungen und Verzerrungen im Inneren der Balgwand. Als zweiter Schwerpunkt wird diese Art der Modellierung auf einen kleinen rechteckigen Ausschnitt der Balgwand übertragen. Dieser Teppich ist als Submodell konzipiert, das Verschiebungen für seine Schnittränder aus einem vereinfachten Globalmodell bezieht und demzufolge die Analyse allgemeiner, nicht axialsymmetrischer Lastfälle möglich macht. Abschließend werden die Modelle anhand einer Rollbalgluftfeder für Busanwendungen eingehend untersucht und einem Praxistest zum Vergleich zweier Konstruktionsvarianten unterzogen. / Tires, belts, hoses and, in particular, air spring bellows are regarded as composites due to layers of reinforcing textile cords that are embedded in a soft elastomer matrix. These cords are produced by twisting yarns which, for their part, represent a twisted structure of polymeric filaments. Hence, air spring bellows feature a highly complex internal geometry as well as strongly anisotropic, nonlinear material behavior. For structural simulations of air springs by means of the finite element method (FEM), new high resolution models are developed here, which reflect all the aforementioned properties. At first, a mathematical model capable of representing the twisted geometry of cords on three-dimensional curves is introduced, which also allows to derive local filament orientations. For the constitutive description of filament material, a transversally isotropic, hyperelastic material model is modified so that only the small isotropic stiffness introduced for regularization remains in case of compressive loads in filament direction. The cord geometry model serves as the basis for their three-dimensional representation in FE meshes of air spring bellows. Firstly, the focus lies on developing a slice model relying on cyclic symmetry, which takes cord geometry into account throughout the entire bellows. Special emphasis is put on building conforming meshes in order to incorporate all material interfaces explicitly. As a result, the slice model allows for detailed analyses of local stress and strain distribution inside the bellows. Secondly, this type of modeling is applied to a rectangular section of the bellows. This carpet is conceived as a submodel acquiring the displacements to be imposed on its cut faces from a simplified global model, and therefore provides the opportunity to analyze general load cases not complying with axial symmetry. Based on a rolling lobe air spring used in bus applications, both models are examined thoroughly and, at last, subjected to a practical test comparing two different designs.

Zur Untersuchung der Schädigungs- und Versagensmechanismen eines in Beton eingebetteten Multifilamentgarns im Auszugversuch wurde die Schallemissionsanalyse zur Identifizierung und Lokalisierung von Filamentbrüchen eingesetzt. Im ersten Schritt wurden dazu die Schall emittierenden Ursachen (Filamentriss, Filamentablösung und Mikroriss im Beton) für eine Differenzierung charakterisiert. Es wurden Versuche zur Erzeugung von isolierten Signalen durchgeführt, welche mit Hilfe der Signal- und Frequenzanalyse untersucht wurden. Bei dem durchgeführten Garnauszugversuch konnte eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit der Filamentbrüche erzielt werden. Der Schädigungsverlauf des Garns während des Auszugversuchs konnte detailliert untersucht werden.

Zur Charakterisierung der Mikrostruktur wurde die Geometrie des Verbundes aus REM-Aufnahmen ausgewertet, sowie die Verbundwirkung einzelner Filamente aus Filament-Pull-Out-Versuchen abgeleitet. Die gewonnenen Parameter bilden die Grundlage für die Modellierung von Garnauszugs- und Rissüberbrückungsmodellen. Unabhängig davon wurde ein Filament-Matrix-Verbund-Gesetz simuliert. Die Übereinstimmungen zwischen der Simulation und der experimentellen Untersuchung des Ausziehverhaltens werden in dem Artikel diskutiert. / The microstructure is characterized by analysing the bond geometrically and experimentally. The data to evaluate these two ways are from SEMimages and filament-pull-out-tests. Based on these data yarn-pull-out-models and crack-bridging-models are calculated. In addition a filament-matrix-bond-law is simulated independently. The correlation between the simulation and the experimental analysis of the pull-out behaviour is discussed in this paper.

Zur Charakterisierung der Mikrostruktur wurde die Geometrie des Verbundes aus REM-Aufnahmen ausgewertet, sowie die Verbundwirkung einzelner Filamente aus Filament-Pull-Out-Versuchen abgeleitet. Die gewonnenen Parameter bilden die Grundlage für die Modellierung von Garnauszugs- und Rissüberbrückungsmodellen. Unabhängig davon wurde ein Filament-Matrix-Verbund-Gesetz simuliert. Die Übereinstimmungen zwischen der Simulation und der experimentellen Untersuchung des Ausziehverhaltens werden in dem Artikel diskutiert. / The microstructure is characterized by analysing the bond geometrically and experimentally. The data to evaluate these two ways are from SEMimages and filament-pull-out-tests. Based on these data yarn-pull-out-models and crack-bridging-models are calculated. In addition a filament-matrix-bond-law is simulated independently. The correlation between the simulation and the experimental analysis of the pull-out behaviour is discussed in this paper.

Zur Untersuchung der Schädigungs- und Versagensmechanismen eines in Beton eingebetteten Multifilamentgarns im Auszugversuch wurde die Schallemissionsanalyse zur Identifizierung und Lokalisierung von Filamentbrüchen eingesetzt. Im ersten Schritt wurden dazu die Schall emittierenden Ursachen (Filamentriss, Filamentablösung und Mikroriss im Beton) für eine Differenzierung charakterisiert. Es wurden Versuche zur Erzeugung von isolierten Signalen durchgeführt, welche mit Hilfe der Signal- und Frequenzanalyse untersucht wurden. Bei dem durchgeführten Garnauszugversuch konnte eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit der Filamentbrüche erzielt werden. Der Schädigungsverlauf des Garns während des Auszugversuchs konnte detailliert untersucht werden.

In the present work, the load-bearing behaviour of Textile Reinforced Concrete (TRC), which is a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performance fibres processed to textiles, exposed to uniaxial tensile loading was investigated based on numerical simulations. The investigations are focussed on reinforcement of multi-filament yarns of alkali-resistant glass. When embedded in concrete, these yarns are not entirely penetrated with cementitious matrix, which leads associated with the heterogeneity of the concrete and the yarns to a complex load-bearing and failure behaviour of the composite. The main objective of the work was the theoretical investigation of effects in the load-bearing behaviour of TRC, which cannot be explained solely by available experimental results. Therefore, a model was developed, which can describe the tensile behaviour of TRC in different experimental test setups with a unified approach. Neglecting effects resulting from Poisson’s effect, a one-dimensional model implemented within the framework of the Finite Element Method was established. Nevertheless, the model takes also transverse effects into account by a subdivision of the reinforcement yarns into so-called segments. The model incorporates two types of finite elements: bar and bond elements. In longitudinal direction, the bar elements are arranged in series to represent the load-bearing behaviour of matrix or reinforcement. In transverse direction these bar element chains are connected with bond elements. The model gains most of its complexity from non-linearities arising from the constitutive relations, e. g., limited tensile strength of concrete and reinforcement, tension softening of the concrete, waviness of the reinforcement and non-linear bond laws. Besides a deterministic description of the material behaviour, also a stochastic formulation based on a random field approach was introduced in the model. The model has a number of advantageous features, which are provided in this combination only in a few of the existing models concerning TRC. It provides stress distributions in the reinforcement and the concrete as well as properties of concrete crack development like crack spacing and crack widths, which are in some of the existing models input parameters and not a result of the simulations. Moreover, the successive failure of the reinforcement can be studied with the model. The model was applied to three types of tests, the filament pull-out test, the yarn pull-out test and tensile tests with multiple concrete cracking. The results of the simulations regarding the filament pull-out tests showed good correspondence with experimental data. Parametric studies were performed to investigate the influence of geometrical properties in these tests like embedding and free lengths of the filament as well as bond properties between filament and matrix. The presented results of simulations of yarn pull-out tests demonstrated the applicability of the model to this type of test. It has been shown that a relatively fine subdivision of the reinforcement is necessary to represent the successive failure of the reinforcement yarns appropriately. The presented results showed that the model can provide the distribution of failure positions in the reinforcement and the degradation development of yarns during loading. One of the main objectives of the work was to investigate effects concerning the tensile material behaviour of TRC, which could not be explained, hitherto, based solely on experimental results. Hence, a large number of parametric studies was performed concerning tensile tests with multiple concrete cracking, which reflect the tensile behaviour of TRC as occurring in practice. The results of the simulations showed that the model is able to reproduce the typical tripartite stress-strain response of TRC consisting of the uncracked state, the state of multiple matrix cracking and the post-cracking state as known from experimental investigations. The best agreement between simulated and experimental results was achieved considering scatter in the material properties of concrete as well as concrete tension softening and reinforcement waviness. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zum einaxialen Zugtragverhalten von Textilbeton. Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff bestehend aus einer Matrix aus Feinbeton und einer Bewehrung aus Multifilamentgarnen aus Hochleistungsfasern, welche zu textilen Strukturen verarbeitet sind. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Bewehrungen aus alkali-resistentem Glas. Das Tragverhalten des Verbundwerkstoffs ist komplex, was aus der Heterogenität der Matrix und der Garne sowie der unvollständigen Durchdringung der Garne mit Matrix resultiert. Das Hauptziel der Arbeit ist die theoretische Untersuchung von Effekten und Mechanismen innerhalb des Lastabtragverhaltens von Textilbeton, welche nicht vollständig anhand verfügbarer experimenteller Ergebnisse erklärt werden können. Das entsprechende Modell zur Beschreibung des Zugtragverhaltens von Textilbeton soll verschiedene experimentelle Versuchstypen mit einem einheitlichen Modell abbilden können. Unter Vernachlässigung von Querdehneffekten wurde ein eindimensionales Modell entwickelt und im Rahmen der Finite-Elemente-Methode numerisch implementiert. Es werden jedoch auch Lastabtragmechanismen in Querrichtung durch eine Unterteilung der Bewehrungsgarne in sogenannte Segmente berücksichtigt. Das Modell enthält zwei Typen von finiten Elementen: Stabelemente und Verbundelemente. In Längsrichtung werden Stabelemente kettenförmig angeordnet, um das Tragverhalten von Matrix und Bewehrung abzubilden. In Querrichtung sind die Stabelementketten mit Verbundelementen gekoppelt. Das Modell erhält seine Komplexität hauptsächlich aus Nichtlinearitäten in der Materialbeschreibung, z.B. durch begrenzte Zugfestigkeiten von Matrix und Bewehrung, Zugentfestigung der Matrix, Welligkeit der Bewehrung und nichtlineare Verbundgesetze. Neben einer deterministischen Beschreibung des Materialverhaltens beinhaltet das Modell auch eine stochastische Beschreibung auf Grundlage eines Zufallsfeldansatzes. Mit dem Modell können Spannungsverteilungen im Verbundwerkstoff und Eigenschaften der Betonrissentwicklung, z.B. in Form von Rissbreiten und Rissabständen untersucht werden, was in dieser Kombination nur mit wenigen der existierenden Modelle für Textilbeton möglich ist. In vielen der vorhandenen Modelle sind diese Eigenschaften Eingangsgrößen für die Berechnungen und keine Ergebnisse. Darüber hinaus kann anhand des Modells auch das sukzessive Versagen der Bewehrungsgarne studiert werden. Das Modell wurde auf drei verschiedene Versuchstypen angewendet: den Filamentauszugversuch, den Garnauszugversuch und Dehnkörperversuche. Die Berechnungsergebnisse zu den Filamentauszugversuchen zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten. Zudem wurden Parameterstudien durchgeführt, um Einflüsse aus Geometrieeigenschaften wie der eingebetteten und freien Filamentlänge sowie Materialeigenschaften wie dem Verbund zwischen Matrix und Filament zu untersuchen. Die Berechnungsergebnisse zum Garnauszugversuch demonstrierten die Anwendbarkeit des Modells auf diesen Versuchstyp. Es wurde gezeigt, dass für eine realitätsnahe Abbildung des Versagensverhaltens der Bewehrungsgarne eine relativ feine Auflösung der Bewehrung notwendig ist. Die Berechnungen lieferten die Verteilung von Versagenspositionen in der Bewehrung und die Entwicklung der Degradation der Garne im Belastungsverlauf. Ein Hauptziel der Arbeit war die Untersuchung von Effekten im Zugtragverhalten von Textilbeton, die bisher nicht durch experimentelle Untersuchungen erklärt werden konnten. Daher wurde eine Vielzahl von Parameterstudien zu Dehnkörpern mit mehrfacher Matrixrissbildung, welche das Zugtragverhalten von Textilbeton ähnlich praktischen Anwendungen abbilden, durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass der experimentell beobachtete dreigeteilte Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Textilbeton bestehend aus dem ungerissenen Zustand, dem Zustand der Matrixrissbildung und dem Zustand der abgeschlossenen Rissbildung vom Modell wiedergegeben wird. Die beste Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen ergab sich unter Einbeziehung von Streuungen in den Materialeigenschaften der Matrix, der Zugentfestigung der Matrix und der Welligkeit der Bewehrung.