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

Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Das Bauwesen befindet sich in einem ständigen Fortschritt. So war und ist der Stahlbeton der meistverwendetste Baustoff auf der Welt. Jedoch haben sich infolge des stetigen Wandels und Fortschritts der Wissenschaft mittlerweile auch andere Verbundwerkstoffe hervorgetan, die den größten Nachteil, die fehlende Korrosionsbeständigkeit des Stahls, nicht mehr beinhalten. Mit Hilfe von nichtmetallischen Faserverbundwerkstoffen als Bewehrungselemente im Beton ergeben sich folglich dauerhaftere Konstruktionsmöglichkeiten. Jedoch muss das Tragverhalten der neuen Bewehrungselemente aus z. B. Glas- oder Carbonfasern weitreichend untersucht sein, bevor diese effizient und zuverlässig in Bauwerken eingesetzt werden können. Zur Beschreibung des Tragverhaltens der FVK-bewehrten Bauteile ist die Kenntnis über das Verbundverhalten zwischen FVK-Bewehrung und Beton essentiell, um eine Verwendung in der Baubranche finden zu können. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit das Verbundverhalten zwischen verschiedenen Carbonstäben und einem ausgewählten hochfesten Beton weitreichend untersucht, um neue Kenntnisse über die in Deutschland und auch international noch relativ unerforschte Thematik erzielen zu können. Aufbauend auf der Beschreibung des Standes des Wissens zum Verbunverhalten von Stahlbeton, zu FVK-Bauteilen im Allgemeinen und zum Verbundverhalten von FVK-bewehrten Bauteilen, wurden eine Vielzahl an experimentellen Verbundversuchen durchgeführt. Zu Beginn wurden in einer ersten Versuchsserie verschiedene Carbonstäbe mit unterschiedlichen Oberflächenprofilierungen und Herstellungsmethoden im Verbundversuch miteinander verglichen. Im Zuge dessen konnte festgestellt werden, dass die Höhe der übertragbaren Verbundspannungen in starkem Maße von dem Herstellungsverfahren bzw. der Oberflächenprofilierung der Stabvarianten abhängen. Mit Hilfe der Voruntersuchungen konnte die Stabvariante 7 (Carbonstab mit einer Oberflächenprofilierung infolge Fräsung) als Vorzugsvariante für weitergehende Betrachtungen ausgewählt werden. In den anschließenden Kapiteln wurde der zuvor als Referenzstab definierte Carbonstab experimentell umfangreich untersucht sowie erste analytische Modelle vorgeschlagen, um den Einfluss von wesentlichen Parametern auf das Verbundverhalten charakterisieren zu können. Folgende Einflussparameter wurden experimentell erforscht: Betonfestigkeit, Verbundlänge, Carbonstabchargen, Größtkorn/Betonzusammensetzung, Betonierrichtung, Prüfgeschwindigkeit. Zusätzlich erfolgte noch der Vergleich des Verbundverhaltens zwischen dem Carbonstab und einem konventionellem Betonstahl. Die Untersuchungen der verschiedenen Einflussfaktoren zeigten, dass viele Erkenntnisse aus dem Stahlbetonbau auch für den Carbonstab übernommen werden können. Jedoch konnte mit Hilfe der experimentellen Versuche auch gezeigt werden, dass weitere Phänomene auftreten können, die aus dem konventionellen Betonbau nicht bekannt sind. Zusätzlich zu den Auszugversuchen wurde die Spaltneigung des Carbonstabes mit Hilfe von verschiedenen Dehnkörper- und Endverankerungsversuchen in Zusammenhang mit dem hochfesten Beton erforscht. Im Zuge dessen konnte festgestellt werden, dass der Referenzcarbonstab aufgrund des guten Verbundverhaltens zwischen Carbonstab und dem hochfesten Beton bei Probekörpern mit realen Betondeckungen eine zum Teil hohe Spaltneigung aufweist. Durch die Verwendung von verschiedenen Probekörpern mit unterschiedlichen Betondeckungen konnte gezeigt werden, dass der Bewehrungsgrad einen maßgeblichen Einfluss auf die Spaltneigung besitzt. Zum Abschluss der Arbeit wurden ein analytisches Verbundgesetz für den Carbonstab sowie verschiedene Ansätze für die Herleitung eines Bemessungsverbundwertes aufgezeigt. Für die Beschreibung eines Verbundgesetzes wurden die bekannten Ansatzfunktionen aus der Literatur an die experimentellen Ergebnisse angepasst und miteinander verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass das aus dem Stahlbeton bekannte Verbundgesetz mit einer geringfügigen Modifikation für den Referenzstab geeignet ist. Somit steht zukünftigen Forschungstätigkeiten ein Verbundgesetz zur Verfügung, welches den gesamten Verlauf der Verbundspannungs-Schlupf-Kurve abbildet. Für die Definition eines möglichen Verbundwertes erfolgte zuerst eine Aufarbeitung der verschiedenen Ansatzfunktion aus dem Stahlbeton sowie weiterer Ansätze aus dem Stand der Technik für FVK-Bauteile. Dabei wurden die jeweiligen Möglichkeiten zur Herleitung eines Verbundwertes für die Berechnung von Carbonbetonbauteilen auf den Referenzcarbonstab übertragen. Im Zuge dessen konnte gezeigt werden, dass zwischen den verschiedenen Ansatzfunktion teils gravierende Abweichungen bestehen, die zu unterschiedlichsten Verbundwerten führen. Ebenfalls konnte nachgewiesen werden, dass einige Ansatzfunktionen die realen Bauteilbedingungen nicht berücksichtigen, wodurch sich unrealistische Verbundwerte ergeben können. Insbesondere die Beachtung der höheren Spaltneigung des Carbonstabes erfolgt in der Regel in den verschiedenen Ansätzen nicht. Jedoch muss die höhere Spaltneigung des Carbonstabes im Beton im Vergleich zu konventionellen Stahlstäben Berücksichtigung finden, um abgesicherte und auf der sicheren Seite liegende Verbundwerte definieren zu können. Aufgrund mit Hilfe von Dehnkörperversuchen aufgezeigten Abhängigkeit zwischen dem Schlupf und der Spaltneigung des Stabes im Beton, kommt der Definition des zulässigen Schlupf- und folglich des Verbundwertes eine im Vergleich zum Stahlbeton noch größere Bedeutung zu.

Textilbeton bzw. Carbonbeton ist ein mit textilen Strukturen bewehrter Verbundbaustoff. Tausende einzelne Filamente bilden Multifilamentgarne welche zu textilen Strukturen verarbeitet werden. Die einzelnen Filamente werden kraftschlüssig mit polymeren oder mineralischen Tränkungsmatrices zu homogenen Bewehrungsstrukturen verbunden. Eingebettet sind diese Textil- bzw. Carbonbewehrungen in anforderungsgerechten Betonmatrices. Die Eigenschaften der am Verbund beteiligten Ausgangsbaustoffe beeinflussen das Leistungsvermögen des Verbundbaustoffes und des Verbundes zwischen Bewehrung und Betonmatrix entscheidend. Das Verbundverhalten wird vereinfacht in zwei Bereiche unterteilt. In den Haftverbund, welcher bereits bei kleinsten Verformungen zerstört wird. Beim Überschreiten des Haftverbundes wird von einem beginnenden Schlupf zwischen Bewehrung und umhüllender Betonmatrix ausgegangen. Und den Reibverbund, welcher über große Verschiebungen hinweg aufrechterhalten werden kann. Der Reibverbund ist von durch Schlupf erzeugter Reibung zwischen Bewehrung und umhüllender Betonmatrix geprägt. In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedlichste Bewehrungsstrukturen auf ihr charakteristisches Verbundverhalten in einem Prüfalter von 28 Tagen bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen bis 500 °C hin untersucht. Das Verbundverhalten wies je nach verwendeter Materialkombination und Geometrie der Bewehrungsstruktur sehr andersartige Verbundcharakteristika auf. Dies bezieht sich sowohl auf den Haftverbund (Anstieg der Verbundkurve) als auch auf den Reibverbund (Höhe und Neigung des Reibplateaus). Die Leistungsverluste im Verbund unter Temperatureinwirkung fielen ebenfalls sehr unterschiedlich aus. Wesentliche Ursache der Abnahme der übertragbaren Verbundkräfte ist bei polymeren Tränkungssystemen auf die Überschreitung der Glasübergangstemperatur und bei mineralisch getränkten Garnstrukturen auf Schwindverformungen infolge Dehydrierung zurückzuführen. Aus der Vielzahl der durchgeführten Verbunduntersuchungen mit sehr unterschiedlichen Bewehrungstypen, konnte ein Ansatz zur einheitlichen bzw. vergleichenden Beschreibung des sogenannten Haftverbundes erstellt werden. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dem Schlupfbeginn zwischen Bewehrung und Betonmatrix. Die experimentelle Ermittlung des Schlupfbeginnes erfolgte durch die Messung des Bewehrungseinzuges, bei gestaffelten Verankerungslängen von 10 mm bis 40 mm. Als charakteristische Kenngrößen des Verbundmodells wurde der Schlupffortschrittsfluss, welcher den Schlupffortschritt in Abhängigkeit der auftretenden Verbundkräfte darstellt, als wesentlich betrachtet. Der Nachweis des Schlupffortschrittes zwischen Bewehrungselement und umhüllender Betonmatrix erfolgte mithilfe eines Bemessungsansatzes zur Rissbreiten-bemessung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit. Mit Hilfe dieses Bemessungs-ansatzes kann eine Bemessung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit für die Rissbreitenbemessung im auf Zug beanspruchten Bauteil und für die Schlupffreiheit am Ende der Endverankerung angewendet werden.:1 Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Ziel der Arbeit 3 1.3 Aufbau der Arbeit 4 2 Stand des Wissens 5 2.1 Komponenten des Verbundbaustoffes Carbonbeton – Carbonfaser 5 2.1.1 Zusammensetzung und Struktur 5 2.1.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 6 2.1.3 Schlichte auf Filamentoberfläche 8 2.2 Komponenten des Verbundbaustoffes Carbonbeton – Tränkungsmatrix 9 2.2.1 Funktion und Anforderungen 9 2.2.2 Polymerbasierte Tränkungsmatrices 10 2.2.2.1 Zusammensetzung und Struktur 10 2.2.2.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 11 2.2.3 Mineralische Tränkungsmatrices 13 2.2.3.1 Zusammensetzung und Struktur 13 2.2.3.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 16 2.2.4 Technologie der Carbonfasertränkung 16 2.3 Komponenten des Verbundbaustoffes Carbonbeton – Feinbetonmatrix 19 2.3.1 Zusammensetzung und Struktur 19 2.3.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 22 2.4 Beschreibung des Verbundverhaltens 24 2.4.1 Verbundspannungen in vielen Ebenen 24 2.4.2 Idealisierung des Bewehrungselements 24 2.4.3 Einflussfaktoren auf das Verbundverhalten 26 2.4.4 Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung (VSB) 27 2.4.4.1 Idealisierung der VSB 27 2.4.4.2 VSB – Stahlbeton 28 2.4.4.3 VSB – Spannbeton 30 2.4.4.4 VSB nach Krüger 31 2.4.4.5 VSB nach Banholzer 32 2.4.4.6 VSB nach Richter 33 2.4.4.7 VSB nach Lepenies 34 2.4.4.8 VSB nach Lorenz 34 2.4.5 Zusammenfassung zum Thema Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung 36 2.4.6 Endverankerung 38 2.5 Dehnkörpertragverhalten 40 2.5.1 Idealisierung Dehnkörpertragverhalten 40 2.5.2 Rissentwicklung 41 2.5.3 Anforderungen an Risse 42 2.6 Zusammenfassung Stand des Wissens 43 3 Materialien 45 3.1 Materialkonzept 45 3.2 Referenzbewehrungen 45 3.2.1 Carbonbewehrung mit Styrol-Butadien-Tränkung (SBR) 45 3.2.2 Carbonbewehrung mit Epoxidharz-Tränkung (EP) 46 3.2.3 Carbonbewehrung mit Acrylat-Tränkung (ACR) 46 3.2.4 Edelstahldraht (Stahl) 47 3.3 Mineralisch gebundene Bewehrungselemente (MIN) 48 3.3.1 Ausgangsmaterialien 48 3.3.2 Zusammensetzung und Herstellung der Tränkungssuspension 49 3.3.3 Mineralisch gebundene Carbonfaserbewehrung der ersten Generation 50 3.3.4 Mineralisch gebundene Carbonfaserbewehrung der zweiten Generation 52 3.3.5 Vorkonditionierung 53 3.4 Feinbetonmatrix 54 3.4.1 Ausgangsmaterialien und Zusammensetzung 54 3.4.2 Herstellung und Eigenschaften des frischen Feinbetons 55 3.4.3 Festbetoneigenschaften 56 4 Experimentelle Methoden 59 4.1 Einseitiger Auszugsversuch 59 4.1.1 Allgemeines 59 4.1.2 Probekörpergeometrie 60 4.1.3 Herstellung, Nachbehandlung, Vorkonditionierung 60 4.1.4 Prüfung bei Temperaturen bis 200 °C (Verfahren I) 61 4.1.5 Prüfung bei Temperaturen über 200 °C (Verfahren II) 63 4.1.6 Aufbereitung, Darstellung und Auswertung der Messergebnisse 64 4.1.6.1 Numerische Vereinfachung der gemessenen Verschiebungs-Auszugskraftbeziehungen 64 4.1.6.2 Darstellung und Normierung der Werte der Auszugskraft 65 4.1.6.3 Darstellung und Auswertung der Einzugsweg-Kraftkurven 66 4.1.6.4 Ermittlung der Verbundsteifigkeit 68 4.1.6.5 Ermittlung der Auszugsarbeit 68 4.1.7 Kritische Bewertung der Versuchsanordnungen 69 4.1.7.1 Probekörpergeometrie und Spannungszustände 69 4.1.7.2 Messtechnik 70 4.1.7.3 Prüfungen bei hohen Temperaturen 70 4.2 Dehnkörperversuch 72 4.2.1 Allgemeines 72 4.2.2 Probekörpergeometrie 72 4.2.3 Herstellung und Nachbehandlung 73 4.2.4 Prüfung und Messmethoden 74 4.2.5 Auswertung der Messergebnisse 75 4.2.5.1 Kraft-Dehnungs-Verhalten und Faserspannung-Dehnungs-Verhalten 75 4.2.5.2 Rissentwicklung 75 4.2.6 Kritische Bewertung der Versuchsanordnung 77 4.2.6.1 Probekörpergeometrie und Materialauswahl 77 4.2.6.2 Messtechnik 77 4.3 Gefügeanalytische Verfahren 78 4.3.1 Mikroskopische Untersuchungen 78 4.3.1.1 Rasterelektronenmikroskopie -REM 78 4.3.1.2 Digitalmikroskopie 79 4.3.2 Thermoanalytische Messverfahren 79 4.3.3 Quecksilberporosimetrie 80 5 Untersuchungsprogramm 81 5.1 Betrachtete Materialien 81 5.2 Festlegung der Prüftemperaturen 81 5.3 Einseitiger Auszugsversuch 82 5.3.1 Prüfung bei Raumtemperatur 82 5.3.2 Prüfung bei erhöhten Temperaturen 82 5.4 Dehnkörperversuch 85 5.5 Begleitende analytische Untersuchungen 86 6 Experimentelle Ergebnisse 87 6.1 Einseitiger Auszugsversuch bei 20 °C 87 6.1.1 Referenzbewehrungen 87 6.1.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 88 6.1.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 90 6.1.4 Schubspannung-Auszugsweg-Beziehungen 92 6.1.5 Auszugsweg vs. Einzugsweg 93 6.1.5.1 Referenzbewehrungen 93 6.1.5.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 94 6.1.5.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 95 6.2 Einseitiger Auszugsversuch bei erhöhten Temperaturen 97 6.2.1 Referenzbewehrungen 97 6.2.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 98 6.2.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 99 6.2.4 Vorkonditionierte mineralisch gebundene Bewehrungen 100 6.3 Dehnkörperversuch 102 6.3.1 Kraft-Dehnungs-Verhalten und Faserspannung-Dehnungs-Verhalten 102 6.3.2 Rissbreiten und Rissabstände 104 6.3.2.1 Referenzbewehrungen 104 6.3.2.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 106 6.3.2.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 107 6.3.2.4 Zusammenfassung 108 6.4 Gefügeanalytische Untersuchungen 110 6.4.1 Thermoanalytische Untersuchungen 110 6.4.2 Ergebnisse der Quecksilber-Porosimetrie 111 7 Bewertung der Ergebnisse 113 7.1 Verbundverhalten 113 7.1.1 Unterteilung der Verbundkurve 113 7.1.2 Kennwerte der Verbundkurve 114 7.1.2.1 Reine Kraftwerte 114 7.1.2.2 Verbundmodul 115 7.1.2.3 Auszugsarbeit 115 7.1.3 Einflussfaktoren und Phänomene 116 7.1.3.1 Raumtemperatur 116 7.1.3.2 Erhöhte Temperatur 119 7.2 Bemessungs-Modell im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) 122 7.2.1 Dehnkörper 122 7.2.1.1 Trag- und Verformungsverhalten 122 7.2.1.2 Rissentwicklung/Lasteinleitungslänge 123 7.2.1.3 Rissbreitenbemessung 129 7.2.2 Endverankerungslänge 130 7.2.2.1 Tragverhalten und Rissentwicklung 130 7.2.2.2 Bemessung der Einbindelänge und Rissbreiten 133 8 Baupraktische Dimension der Erkenntnisse 136 8.1 Ausgangsmaterialien 136 8.1.1 Carbonfaser-Bewehrung 136 8.1.2 Feinbetonmatrix 136 8.1.3 Verbundbaustoff 137 8.2 Potentielle Anwendungsfelder 139 8.3 Bauen neu denken! 141 9 Zusammenfassung und Ausblick 142 9.1 Zusammenfassung 142 9.1.1 Verbundverhalten 142 9.1.2 Bemessungs-Modell für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 142 9.2 Ausblick 144 10 Literaturverzeichnis 146 Anhang A: Abkürzungen, Formelzeichen/Symbole, Einheiten 154 Anhang B: Messkurven Auszugsversuche bei Raumtemperatur 158 Anhang C: Messkurven bei erhöhten Temperaturen 167 Anhang D: Messkurven Dehnkörperversuche 179 / Textile reinforced concrete or carbon reinforced concrete is a composite building material reinforced with textile structures. Thousands of single filaments form multifilament yarns which are processed to textile structures. The textile filaments are bonded with polymeric or mineral impregnation materials to form homogeneous reinforcement structures. These textile or carbon reinforcements are embedded in concrete matrices that fulfil the specific requirements. The mechanical properties of the base materials involved in the compound have a decisive influence on the performance of the composite material and the bond between the reinforcement and the concrete matrix. In simplified terms, the bond behavior is divided into two areas. The adhesive bond, which is destroyed by even the smallest deformations. When the bond is exceeded, it is assumed that the slip between the reinforcement and the surrounding concrete matrix begins. And the frictional bond, which can be maintained over large displacements. The frictional bond is characterized by slip-generated friction between the reinforcement and the encasing concrete matrix. In the present study, a wide variation of reinforcement structures was investigated for their characteristic bond behavior at a test age of 28 days at room temperature and elevated temperatures up to 500 °C. The bond behavior of the different reinforcement structures was found to be very different depending on the type of reinforcement used. The bond behavior exhibited very different bond characteristics depending on the material combination used and the geometry of the reinforcement structure. This refers to both, the adhesive bond and the frictional bond. The performance losses in the bond under the influence of temperature also varied greatly. The main cause of the decrease in composite performance was due to the glass transition temperature being exceeded in the case of polymer impregnation systems and to shrinkage deformation as a result of dehydration in the case of mineral-impregnated yarn structures. From the large number of bond investigations carried out with very different types of reinforcement, it was possible to develop an approach for a uniform or comparative description of the bond. The focus here is on the beginning of slip between the reinforcement and the concrete matrix. The experimental determination of the slip beginning was carried out by measuring the reinforcement pull-in, with stepped anchorage lengths from 10 mm to 40 mm. The slip progress flow, which represents the slip progress as a function of the applied bond forces, was considered essential as a characteristic parameter of the bond model. The slip propagation between the reinforcement element and the surrounding concrete matrix was verified using a design approach for crack width design in the serviceability limit state. With the help of this design approach, a serviceability limit state design can be applied for the crack width design in the tensile stressed component and for the no-slip design at the end of the final anchorage.:1 Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Ziel der Arbeit 3 1.3 Aufbau der Arbeit 4 2 Stand des Wissens 5 2.1 Komponenten des Verbundbaustoffes Carbonbeton – Carbonfaser 5 2.1.1 Zusammensetzung und Struktur 5 2.1.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 6 2.1.3 Schlichte auf Filamentoberfläche 8 2.2 Komponenten des Verbundbaustoffes Carbonbeton – Tränkungsmatrix 9 2.2.1 Funktion und Anforderungen 9 2.2.2 Polymerbasierte Tränkungsmatrices 10 2.2.2.1 Zusammensetzung und Struktur 10 2.2.2.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 11 2.2.3 Mineralische Tränkungsmatrices 13 2.2.3.1 Zusammensetzung und Struktur 13 2.2.3.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 16 2.2.4 Technologie der Carbonfasertränkung 16 2.3 Komponenten des Verbundbaustoffes Carbonbeton – Feinbetonmatrix 19 2.3.1 Zusammensetzung und Struktur 19 2.3.2 Mechanische Eigenschaften und Temperaturverhalten 22 2.4 Beschreibung des Verbundverhaltens 24 2.4.1 Verbundspannungen in vielen Ebenen 24 2.4.2 Idealisierung des Bewehrungselements 24 2.4.3 Einflussfaktoren auf das Verbundverhalten 26 2.4.4 Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung (VSB) 27 2.4.4.1 Idealisierung der VSB 27 2.4.4.2 VSB – Stahlbeton 28 2.4.4.3 VSB – Spannbeton 30 2.4.4.4 VSB nach Krüger 31 2.4.4.5 VSB nach Banholzer 32 2.4.4.6 VSB nach Richter 33 2.4.4.7 VSB nach Lepenies 34 2.4.4.8 VSB nach Lorenz 34 2.4.5 Zusammenfassung zum Thema Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung 36 2.4.6 Endverankerung 38 2.5 Dehnkörpertragverhalten 40 2.5.1 Idealisierung Dehnkörpertragverhalten 40 2.5.2 Rissentwicklung 41 2.5.3 Anforderungen an Risse 42 2.6 Zusammenfassung Stand des Wissens 43 3 Materialien 45 3.1 Materialkonzept 45 3.2 Referenzbewehrungen 45 3.2.1 Carbonbewehrung mit Styrol-Butadien-Tränkung (SBR) 45 3.2.2 Carbonbewehrung mit Epoxidharz-Tränkung (EP) 46 3.2.3 Carbonbewehrung mit Acrylat-Tränkung (ACR) 46 3.2.4 Edelstahldraht (Stahl) 47 3.3 Mineralisch gebundene Bewehrungselemente (MIN) 48 3.3.1 Ausgangsmaterialien 48 3.3.2 Zusammensetzung und Herstellung der Tränkungssuspension 49 3.3.3 Mineralisch gebundene Carbonfaserbewehrung der ersten Generation 50 3.3.4 Mineralisch gebundene Carbonfaserbewehrung der zweiten Generation 52 3.3.5 Vorkonditionierung 53 3.4 Feinbetonmatrix 54 3.4.1 Ausgangsmaterialien und Zusammensetzung 54 3.4.2 Herstellung und Eigenschaften des frischen Feinbetons 55 3.4.3 Festbetoneigenschaften 56 4 Experimentelle Methoden 59 4.1 Einseitiger Auszugsversuch 59 4.1.1 Allgemeines 59 4.1.2 Probekörpergeometrie 60 4.1.3 Herstellung, Nachbehandlung, Vorkonditionierung 60 4.1.4 Prüfung bei Temperaturen bis 200 °C (Verfahren I) 61 4.1.5 Prüfung bei Temperaturen über 200 °C (Verfahren II) 63 4.1.6 Aufbereitung, Darstellung und Auswertung der Messergebnisse 64 4.1.6.1 Numerische Vereinfachung der gemessenen Verschiebungs-Auszugskraftbeziehungen 64 4.1.6.2 Darstellung und Normierung der Werte der Auszugskraft 65 4.1.6.3 Darstellung und Auswertung der Einzugsweg-Kraftkurven 66 4.1.6.4 Ermittlung der Verbundsteifigkeit 68 4.1.6.5 Ermittlung der Auszugsarbeit 68 4.1.7 Kritische Bewertung der Versuchsanordnungen 69 4.1.7.1 Probekörpergeometrie und Spannungszustände 69 4.1.7.2 Messtechnik 70 4.1.7.3 Prüfungen bei hohen Temperaturen 70 4.2 Dehnkörperversuch 72 4.2.1 Allgemeines 72 4.2.2 Probekörpergeometrie 72 4.2.3 Herstellung und Nachbehandlung 73 4.2.4 Prüfung und Messmethoden 74 4.2.5 Auswertung der Messergebnisse 75 4.2.5.1 Kraft-Dehnungs-Verhalten und Faserspannung-Dehnungs-Verhalten 75 4.2.5.2 Rissentwicklung 75 4.2.6 Kritische Bewertung der Versuchsanordnung 77 4.2.6.1 Probekörpergeometrie und Materialauswahl 77 4.2.6.2 Messtechnik 77 4.3 Gefügeanalytische Verfahren 78 4.3.1 Mikroskopische Untersuchungen 78 4.3.1.1 Rasterelektronenmikroskopie -REM 78 4.3.1.2 Digitalmikroskopie 79 4.3.2 Thermoanalytische Messverfahren 79 4.3.3 Quecksilberporosimetrie 80 5 Untersuchungsprogramm 81 5.1 Betrachtete Materialien 81 5.2 Festlegung der Prüftemperaturen 81 5.3 Einseitiger Auszugsversuch 82 5.3.1 Prüfung bei Raumtemperatur 82 5.3.2 Prüfung bei erhöhten Temperaturen 82 5.4 Dehnkörperversuch 85 5.5 Begleitende analytische Untersuchungen 86 6 Experimentelle Ergebnisse 87 6.1 Einseitiger Auszugsversuch bei 20 °C 87 6.1.1 Referenzbewehrungen 87 6.1.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 88 6.1.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 90 6.1.4 Schubspannung-Auszugsweg-Beziehungen 92 6.1.5 Auszugsweg vs. Einzugsweg 93 6.1.5.1 Referenzbewehrungen 93 6.1.5.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 94 6.1.5.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 95 6.2 Einseitiger Auszugsversuch bei erhöhten Temperaturen 97 6.2.1 Referenzbewehrungen 97 6.2.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 98 6.2.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 99 6.2.4 Vorkonditionierte mineralisch gebundene Bewehrungen 100 6.3 Dehnkörperversuch 102 6.3.1 Kraft-Dehnungs-Verhalten und Faserspannung-Dehnungs-Verhalten 102 6.3.2 Rissbreiten und Rissabstände 104 6.3.2.1 Referenzbewehrungen 104 6.3.2.2 Mineralisch gebundene Bewehrung der ersten Generation 106 6.3.2.3 Mineralisch gebundene Bewehrung der zweiten Generation 107 6.3.2.4 Zusammenfassung 108 6.4 Gefügeanalytische Untersuchungen 110 6.4.1 Thermoanalytische Untersuchungen 110 6.4.2 Ergebnisse der Quecksilber-Porosimetrie 111 7 Bewertung der Ergebnisse 113 7.1 Verbundverhalten 113 7.1.1 Unterteilung der Verbundkurve 113 7.1.2 Kennwerte der Verbundkurve 114 7.1.2.1 Reine Kraftwerte 114 7.1.2.2 Verbundmodul 115 7.1.2.3 Auszugsarbeit 115 7.1.3 Einflussfaktoren und Phänomene 116 7.1.3.1 Raumtemperatur 116 7.1.3.2 Erhöhte Temperatur 119 7.2 Bemessungs-Modell im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) 122 7.2.1 Dehnkörper 122 7.2.1.1 Trag- und Verformungsverhalten 122 7.2.1.2 Rissentwicklung/Lasteinleitungslänge 123 7.2.1.3 Rissbreitenbemessung 129 7.2.2 Endverankerungslänge 130 7.2.2.1 Tragverhalten und Rissentwicklung 130 7.2.2.2 Bemessung der Einbindelänge und Rissbreiten 133 8 Baupraktische Dimension der Erkenntnisse 136 8.1 Ausgangsmaterialien 136 8.1.1 Carbonfaser-Bewehrung 136 8.1.2 Feinbetonmatrix 136 8.1.3 Verbundbaustoff 137 8.2 Potentielle Anwendungsfelder 139 8.3 Bauen neu denken! 141 9 Zusammenfassung und Ausblick 142 9.1 Zusammenfassung 142 9.1.1 Verbundverhalten 142 9.1.2 Bemessungs-Modell für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 142 9.2 Ausblick 144 10 Literaturverzeichnis 146 Anhang A: Abkürzungen, Formelzeichen/Symbole, Einheiten 154 Anhang B: Messkurven Auszugsversuche bei Raumtemperatur 158 Anhang C: Messkurven bei erhöhten Temperaturen 167 Anhang D: Messkurven Dehnkörperversuche 179

Für die Berechnung der Standsicherheit von Konstruktionen mit Geokunststoffen ist die Ermittlung des "Interaktionsverhaltens" in den Schichtgrenzen zwischen Geokunststoffen und Lockergesteinen unerlässlich. Das Verbundverhalten in der Grenzfläche ist sehr komplex. Es ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, die im Rahmen dieser Arbeit experimentell, analytisch und numerisch untersucht werden. Als Ausgangspunkt für die experimentellen Untersuchungen wird vom Verfasser ein multifunktionales Geosynthetik-Boden-Interaktionsprüfgerät entwickelt und gebaut, mit dem alle zur Standsicherheit eines geokunststoffbewehrten Erdkörpers benötigten Verbundparameter ermittelt werden können. Aus den erarbeiteten Ergebnissen resultiert die Empfehlung einer Gerätekonfiguration zur Bestimmung der Verbundparameter unter mechanisch klar definierten Randbedingungen, und die Grundlagen für die zukünftige Nutzung geringtragfähiger bindiger Lockergesteine als vollwertige Füllböden in geokunststoffbewehrten Konstruktionen werden gelegt.

Das nachträgliche Verstärken von Betonbauteilen mit aufgeklebten CFK-Lamellen weist eine aufwendige iterative Biegebemessung aufgrund des komplexen Verbundverhaltens auf. Zur Ermittlung der Biegetragfähigkeit und der daraus resultierenden erforderlichen Lamellenfläche wurden die Ansätze des Stahlbetonbaus um die aufgeklebte Bewehrung erweitert. So konnten Bemessungstafeln mit dimensionslosen Beiwerten für unterschiedliche Gesamtdehnungszustände entwickelt werden, die in Verbindung mit dem vereinfachten Nachweisverfahren der DAfStb-Richtlinie 'Verstärken von Betonbauteilen mit geklebter Bewehrung' die Vorbemessung einer Biegeverstärkungsmaßnahme mit aufgeklebten CFK-Lamellen ermöglichen. Da die Bemessungstafeln mit dem vereinfachten Nachweis gewissen Anwendungsgrenzen unterliegen, wurde zusätzlich eine Excel-Arbeitsmappe konfiguriert, die den genaueren Nachweis der Lamellenkraftänderung am Zwischenrisselement sowie die iterative Bemessung der Biegetragfähigkeit enthält. Die vorliegende Arbeit beschreibt detailliert die Nachweisverfahren des DAfStb sowie die Erstellung der Bemessungshilfen.