In jüngerer Vergangenheit hat sich das Bewusstsein der Gesellschaft für die ökologischen Folgen unseres Handelns auf unsere Umwelt signifikant verändert. Die unter anderem daraus resultierende Energiewende stellt sowohl die Betreiber als auch die Maschinen zur Erzeugung elektrischer Energie vor völlig neue Herausforderungen. Durch die Einspeisung regenerativ erzeugter Elektroenergie, welche aber nicht immer gleichmäßig zur Verfügung steht, ändern sich die Lastprofile der konventionell zur Stromerzeugung verwendeten Gas und Dampfturbinen erheblich. Die sich stark ändernden Lastanforderungen erzeugen in den Bauteilen der Turbinen teilweise sehr hohe thermische Spannungen, welche durch die schnell vorzunehmenden Temperaturwechsel im lastflexiblen Betrieb hervorgerufen werden. Eine davon besonders betroffene Stelle an den Turbinen sind die Seitenräume im Gehäuse, welche wenig von Dampf durchströmt werden und dadurch ein deutlich anderes thermisches Verhalten zeigen als die Bauteile im Hauptströmungspfad. Mit Hilfe eines Modellversuchsstandes (Totraumversuchstand SiSTeR), welcher im Rahmen einer Diplomarbeit [Spura 2012] ausgelegt und konstruiert wurde, wurden experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung des Wärmeübergangs in solchen Seitenräumen durchgeführt. Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit ist die Auslegung und Entwicklung sowie der Aufbau und die Validierung / Kalibrierung der Messtechnik für den Modellversuchsstand. Besonders im Fokus steht dabei die Messtechnik zur Bestimmung des Wärmeübergangs an der Innenseite der Außenwand einer ringförmigen Kavität, welche einen Seitenraum im Gehäuse einer Dampfturbine repräsentiert. Aus den Erfahrungen und der Expertise am Lehrstuhl sowie einer Recherche zu Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Messmethoden z.B. in [Kaiser 1981] wurden zwei unterschiedliche und möglichst voneinander unabhängige Methoden ausgewählt und hinsichtlich der Anwendung am Modellversuchsstand entwickelt und erprobt. Die erste ausgewählte Methode, die sogenannte Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode, ist vom Prinzip eine Hilfswand-Methode. Dabei wird ein Wärmestrom z.B. von einer Heizung über eine thermisch isolierende Hilfswand und eine weitere, thermisch gut leitfähige Wand an ein Fluid abgegeben. Zur Bestimmung des Wärmeübergangs wird der Wärmestrom durch die Hilfswand bestimmt und ins Verhältnis zur Wärmeübertragenden Fläche sowie der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Fluid gesetzt. Für die technische Umsetzung der Methode ist die Außenwand aus 8 identischen Ringen aufgebaut, welcher jeder für sich die Anwendung der Messmethode gestattet. Die 8 Ringe, thermisch voneinander isoliert, nebeneinander angeordnet und zwischen zwei Flanschen fixiert ergeben die Außenwand für den Totraum. Die zweite ausgewählte Methode ist die sogenannte lokale Übertemperatur-Methode. Auf Basis der Erfahrungen der Arbeitsgruppe wurde das Sensorkonzept der z.B. in [Günther 2011] und [Uffrecht 2012] beschriebenen Sensoren weiterentwickelt und mit einem neuen Isolationsmaterial zur Anwendung gebracht. Die Sensoren basieren auf der Anwendung einer sehr lokal, mit Hilfe eines kleinen NTC-Thermistors, aufgeprägten Übertemperatur. In den 8 Ringen der Außenwand sind jeweils zwei Stück dieser Sensoren mit einem Winkel von 90° zueinander eingebaut. Es ist festzustellen, dass die Ergebnisse der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode gut mit Daten aus der Literatur übereinstimmen. Die somit ermittelten Nusselt-Zahlen können mit hohem Vertrauen sowohl als quantitative Werte zum Vergleich mit anderen Versuchsaufbauten als auch für vergleichende Untersuchungen am selben Versuchsstand für die Erarbeitung von Abhängigkeiten genutzt werden. Die Messergebnisse der Übertemperatur-Sensoren liefern zunächst Messwerte für lokale Wandschubspannungen in der Rohrströmung. Der Vergleich dieser Messwerte mit Literaturdaten für die Strömung durch hydraulisch glatte Rohre sowie mit den experimentell aus der Differenzdruckmessungen ermittelten Daten zeigt ebenfalls sehr gut Übereinstimmung. Mit Hilfe der Analogiebeziehung zwischen Wandschubspannung und Wärmeübertragung wurden die mit den Übertemperatur-Sensoren ermittelten Schubspannungen in Nusselt-Zahlen umgerechnet. Die über diesen Weg mit Hilfe der Übertemperatur-Sensoren ermittelten Nusselt-Zahlen zeigen teils deutliche Abweichungen zu den Literaturdaten und auch zu den Messwerten der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode. Als möglich Ursache dafür kann die Anwendung der Analogiebeziehung zwischen Wandschubspannung und Wärmeübertragung benannt werden, für deren Anwendung vermutlich die Grenzen der Gültigkeit der Gleichung mit dem Versuchsaufbau nicht eingehalten werden können. Es bleibt damit als Fazit für die Untersuchungen festzuhalten, dass die Anwendung der beiden Messmethoden prinzipiell möglich ist. Allerdings geht aus der Zielgröße der Untersuchung und aus den technischen Gegebenheiten eine Vorzugsanwendung entweder der Wärmestrom-Temperaturdifferenz- oder der lokalen Übertemperatur-Methode hervor. So ist für stationäre Anwendungen mit geringen Restriktionen bezüglich des Einbauraumes sowie der Energieversorgung und für die Zielgröße Wärmeübergangskoeffizient die Auswertung nach der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode zu bevorzugen. Sollen demgegenüber Untersuchungen an beweglichen Aufbauten mit Restriktionen hinsichtlich Energieversorgung, Datenübertragung und/oder Einbauraum durchgeführt werden und ist als Zielgröße die Wandschubspannung gesucht, können die kleinen Übertemperatur-Sensoren angewandt werden.:Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Grundlagen zur Beschreibung der Strömung 2.2 Grundlagen zur Beschreibung des Wärmeübergangs 3 Versuchsstände 4 Experimentelle Untersuchungen 5 Interpretation der Messergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

Experimentelle Untersuchungen an Plattenbalken zeigen, dass Querkraftverstärkungen auch außerhalb der Biegedruckzone verankert werden können. Entscheidend dabei ist, dass alle in der Verbundfuge von Altbeton und Verstärkung auftretenden Beanspruchungen durch die Haftzug- und Scherfestigkeit des Alt- und Feinbetons übertragen werden können. Ein Verbundversagen führt durch das Ablösen der Verstärkungsschicht zu deren Ausfall. Der Beitrag befasst sich mit den Beanspruchungen und Versagensmechanismen des Verankerungsbereiches, die anhand von Versuchsergebnissen dargestellt werden. Als Versagenskriterium für die Verankerung sind zwei flächige Versagensarten – der Altbetonuntergrund und die Ebene der textilen Bewehrung – zu berücksichtigen. Als weiteres Versagenskriterium der Verankerung ist der innere Verbund zwischen den Multifilamentgarnen und der sie umgebenden Feinbetonmatrix zu betrachten. Für die Bemessung des Verankerungsbereiches einer Verstärkung wird der jeweils ungünstigste Wert dieser drei Versagensarten maßgebend.

Experimentelle Untersuchungen an Plattenbalken zeigen, dass Querkraftverstärkungen auch außerhalb der Biegedruckzone verankert werden können. Entscheidend dabei ist, dass alle in der Verbundfuge von Altbeton und Verstärkung auftretenden Beanspruchungen durch die Haftzug- und Scherfestigkeit des Alt- und Feinbetons übertragen werden können. Ein Verbundversagen führt durch das Ablösen der Verstärkungsschicht zu deren Ausfall. Der Beitrag befasst sich mit den Beanspruchungen und Versagensmechanismen des Verankerungsbereiches, die anhand von Versuchsergebnissen dargestellt werden. Als Versagenskriterium für die Verankerung sind zwei flächige Versagensarten – der Altbetonuntergrund und die Ebene der textilen Bewehrung – zu berücksichtigen. Als weiteres Versagenskriterium der Verankerung ist der innere Verbund zwischen den Multifilamentgarnen und der sie umgebenden Feinbetonmatrix zu betrachten. Für die Bemessung des Verankerungsbereiches einer Verstärkung wird der jeweils ungünstigste Wert dieser drei Versagensarten maßgebend.

Dieser Beitrag befasst sich mit der experimentellen und analytischen Bestimmung der Verankerungslängen textiler Bewehrungsstrukturen einer Textilbetonverstärkungsschicht. Die experimentelle Untersuchung des Verbundverhaltens erfolgte anhand von Pull-Out-Versuchen. Die analytische Betrachtung des Verbundproblems geschieht aufbauend auf multilinearen Lösungen der Verbunddifferentialgleichung anhand der experimentell ermittelten Kraft- Rissöffnungs-Beziehungen. Mit Hilfe eines separaten Modells wird aus der so ermittelten Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung (VSB) die zur Verankerung einer entsprechenden Kraft F erforderliche Verankerungslänge lE bestimmt. Die Überprüfung der Berechnung erfolgt anhand von unabhängig in experimentellen Versuchen zur Bestimmung der Verankerungslänge ermittelten Werten. Es konnte eine gute Übereinstimmung der berechneten mit den versuchstechnisch bestimmten Verankerungslängen festgestellt werden.

Das Trag- und Verbundverhalten textiler Bewehrungen wurde in den vergangen Jahren umfassend experimentell untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse stützen sich jedoch fast ausschließlich auf einaxiale Beanspruchungszustände. Grundsätzlich können aus dem Vergleich von Versuchen an Rovings und an textilen Bewehrungsstrukturen Rückschlüsse auf den Einfluss der Quer- und Stützfäden und der verschiedenen Bindungstechniken auf das einaxiale Tragverhalten von Textilbeton getroffen werden. Offen bleibt jedoch, inwieweit sich die gefundenen Gesetzmäßigkeiten auf mehraxiale Beanspruchungssituationen übertragen lassen. Dadurch werden Fragen bezüglich des Tragverhaltens textiler Bewehrungen unter mehraxialen Zugbeanspruchungen aufgeworfen, welche die Motivation für die vorliegende Arbeit liefern. Die hierzu durchgeführten experimentellen Untersuchungen umfassen 84 Einzelversuche und wurden in einem speziell für zweiaxiale Zugbeanspruchungen entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Als textile Bewehrungen kamen zwei verschiedene Gelegearten aus AR-Glas und Carbon zum Einsatz. Die Ergebnisse konnten die bisher ausschließlich an einaxialen Dehnkörpern gewonnenen Erkenntnisse über das Tragverhalten textiler Bewehrungen grundsätzlich bestätigen. Für den Übergang von Zustand I zum Zustand II konnte eine Abhängigkeit der Erstrissspannung vom Spannungsverhältnis nachgewiesen werden. Die Merkmale der Zustände IIa und IIb zeigen hingegen keine signifikante Abhängigkeit vom Verhältnis aus Längs- und Querzugspannung. Darüber hinaus haben offenbar durch Querzug induzierte bewehrungsparallele Risse keine maßgeblichen Auswirkungen auf das Verbundverhalten der Rovings in Längsrichtung. Eine wesentliche Erkenntnis aus den biaxialen Zugversuchen mit Carbon betrifft den Einfluss der Welligkeit. Es wurde deutlich, dass der Abbau der Welligkeit in beschichteten textilen Bewehrungen hochgradig lastabhängig ist. In zahlreichen Versuchen mit Carbon kam es innerhalb des Zustands IIb zu Delamination, einem bisher in diesem Umfang nicht beobachteten Effekt. Die Erkenntnisse hinsichtlich des Abbaus der Welligkeit wurden im Anschluss auf das Tragverhalten von AR-Glas übertragen und führten zu einer Neubewertung des bei AR-Glas beobachteten Steifigkeitsdefizits im Zustand IIb. Weiterhin wurde der Einfluss der Orientierung der Bewehrung unter einaxialer Beanspruchung an scheibenartigen Probekörpern untersucht. Es zeigte sich, dass die untersuchten Bewehrungen aus AR-Glas hinsichtlich der Tragfähigkeit bei schiefwinkliger Beanspruchung deutlich unempfindlicher reagieren als Bewehrungen aus Carbon. Für die Reduktion der effektiven Faserbruchspannungen wurde ein mathematisches Modell vorgestellt, welches eine getrennte Beschreibung der geometrischen Einflüsse sowie alle sonstigen, die Faserbruchspannung reduzierenden Effekte erlaubt. / The load bearing and bond behaviour of textile reinforcements has been comprehensively studied experimental in recent years. The findings are based almost exclusively on uniaxial loading. Generally, from the comparison of tests on rovings and fabrics conclusions can be drawn about the influence of transverse and supporting threads and different binding patterns on the uniaxial load-bearing behaviour. However, it remains open, to what extend the found principles are applicable to multi-axial loading situations. This raises questions about the load bearing behaviour under multi-axial tension loading, which provide motivation for this work. For the experimental studies on 84 specimens a specially developed test setup for biaxial tensile loading was used. Two different types of textile reinforcements made from AR-glass and carbon fibres were examined. The results generally approve the findings on the structural behaviour of textile reinforcements exclusively derived from uniaxial tests. A relationship between first cracking stress level and biaxial stress ratio has been found. The characteristics of the cracking phases and during stabilized cracking, however, show no significant dependencies on the ratio of longitudinal and transverse tensile stresses. Furthermore, parallel cracks induced by transverse tensile stresses have no significant impact on the bond behaviour of longitudinal rovings. An essential result from biaxial tensile tests with carbon is the strong influence of waviness. It became clear that the reduction of waviness in coated textile reinforcement is highly load-dependent. In numerous experiments with carbon reinforcement delamination occurred during stabilized cracking – an effect, that has been observed in this large scale for the first time. The findings regarding the reduction of the waviness were subsequently applied to AR-glass and led to a revaluation of the known stiffness deficit in the phase IIb. Furthermore, the influence of reinforcement orientation has been studied on discoidal specimens under uni-axial loading. It was found that the load bearing capacity of carbon reinforcement is much more sensible to load orientation than AR-glass. A mathematical model was presented, which allows the separate description of geometric factors and as well as all other effects that reduce the fibre tensile strength.

Das Trag- und Verbundverhalten textiler Bewehrungen wurde in den vergangen Jahren umfassend experimentell untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse stützen sich jedoch fast ausschließlich auf einaxiale Beanspruchungszustände. Grundsätzlich können aus dem Vergleich von Versuchen an Rovings und an textilen Bewehrungsstrukturen Rückschlüsse auf den Einfluss der Quer- und Stützfäden und der verschiedenen Bindungstechniken auf das einaxiale Tragverhalten von Textilbeton getroffen werden. Offen bleibt jedoch, inwieweit sich die gefundenen Gesetzmäßigkeiten auf mehraxiale Beanspruchungssituationen übertragen lassen. Dadurch werden Fragen bezüglich des Tragverhaltens textiler Bewehrungen unter mehraxialen Zugbeanspruchungen aufgeworfen, welche die Motivation für die vorliegende Arbeit liefern. Die hierzu durchgeführten experimentellen Untersuchungen umfassen 84 Einzelversuche und wurden in einem speziell für zweiaxiale Zugbeanspruchungen entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Als textile Bewehrungen kamen zwei verschiedene Gelegearten aus AR-Glas und Carbon zum Einsatz. Die Ergebnisse konnten die bisher ausschließlich an einaxialen Dehnkörpern gewonnenen Erkenntnisse über das Tragverhalten textiler Bewehrungen grundsätzlich bestätigen. Für den Übergang von Zustand I zum Zustand II konnte eine Abhängigkeit der Erstrissspannung vom Spannungsverhältnis nachgewiesen werden. Die Merkmale der Zustände IIa und IIb zeigen hingegen keine signifikante Abhängigkeit vom Verhältnis aus Längs- und Querzugspannung. Darüber hinaus haben offenbar durch Querzug induzierte bewehrungsparallele Risse keine maßgeblichen Auswirkungen auf das Verbundverhalten der Rovings in Längsrichtung. Eine wesentliche Erkenntnis aus den biaxialen Zugversuchen mit Carbon betrifft den Einfluss der Welligkeit. Es wurde deutlich, dass der Abbau der Welligkeit in beschichteten textilen Bewehrungen hochgradig lastabhängig ist. In zahlreichen Versuchen mit Carbon kam es innerhalb des Zustands IIb zu Delamination, einem bisher in diesem Umfang nicht beobachteten Effekt. Die Erkenntnisse hinsichtlich des Abbaus der Welligkeit wurden im Anschluss auf das Tragverhalten von AR-Glas übertragen und führten zu einer Neubewertung des bei AR-Glas beobachteten Steifigkeitsdefizits im Zustand IIb. Weiterhin wurde der Einfluss der Orientierung der Bewehrung unter einaxialer Beanspruchung an scheibenartigen Probekörpern untersucht. Es zeigte sich, dass die untersuchten Bewehrungen aus AR-Glas hinsichtlich der Tragfähigkeit bei schiefwinkliger Beanspruchung deutlich unempfindlicher reagieren als Bewehrungen aus Carbon. Für die Reduktion der effektiven Faserbruchspannungen wurde ein mathematisches Modell vorgestellt, welches eine getrennte Beschreibung der geometrischen Einflüsse sowie alle sonstigen, die Faserbruchspannung reduzierenden Effekte erlaubt. / The load bearing and bond behaviour of textile reinforcements has been comprehensively studied experimental in recent years. The findings are based almost exclusively on uniaxial loading. Generally, from the comparison of tests on rovings and fabrics conclusions can be drawn about the influence of transverse and supporting threads and different binding patterns on the uniaxial load-bearing behaviour. However, it remains open, to what extend the found principles are applicable to multi-axial loading situations. This raises questions about the load bearing behaviour under multi-axial tension loading, which provide motivation for this work. For the experimental studies on 84 specimens a specially developed test setup for biaxial tensile loading was used. Two different types of textile reinforcements made from AR-glass and carbon fibres were examined. The results generally approve the findings on the structural behaviour of textile reinforcements exclusively derived from uniaxial tests. A relationship between first cracking stress level and biaxial stress ratio has been found. The characteristics of the cracking phases and during stabilized cracking, however, show no significant dependencies on the ratio of longitudinal and transverse tensile stresses. Furthermore, parallel cracks induced by transverse tensile stresses have no significant impact on the bond behaviour of longitudinal rovings. An essential result from biaxial tensile tests with carbon is the strong influence of waviness. It became clear that the reduction of waviness in coated textile reinforcement is highly load-dependent. In numerous experiments with carbon reinforcement delamination occurred during stabilized cracking – an effect, that has been observed in this large scale for the first time. The findings regarding the reduction of the waviness were subsequently applied to AR-glass and led to a revaluation of the known stiffness deficit in the phase IIb. Furthermore, the influence of reinforcement orientation has been studied on discoidal specimens under uni-axial loading. It was found that the load bearing capacity of carbon reinforcement is much more sensible to load orientation than AR-glass. A mathematical model was presented, which allows the separate description of geometric factors and as well as all other effects that reduce the fibre tensile strength.

Dieser Beitrag befasst sich mit der experimentellen und analytischen Bestimmung der Verankerungslängen textiler Bewehrungsstrukturen einer Textilbetonverstärkungsschicht. Die experimentelle Untersuchung des Verbundverhaltens erfolgte anhand von Pull-Out-Versuchen. Die analytische Betrachtung des Verbundproblems geschieht aufbauend auf multilinearen Lösungen der Verbunddifferentialgleichung anhand der experimentell ermittelten Kraft- Rissöffnungs-Beziehungen. Mit Hilfe eines separaten Modells wird aus der so ermittelten Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung (VSB) die zur Verankerung einer entsprechenden Kraft F erforderliche Verankerungslänge lE bestimmt. Die Überprüfung der Berechnung erfolgt anhand von unabhängig in experimentellen Versuchen zur Bestimmung der Verankerungslänge ermittelten Werten. Es konnte eine gute Übereinstimmung der berechneten mit den versuchstechnisch bestimmten Verankerungslängen festgestellt werden.

In diesem Beitrag wird ein Vergleich zwischen indirekten Testmethoden zur Bewertung der Verbaubarkeit von 3D-gedruckten Mörteln und Betonen vorgestellt. Die Untersuchungen erfolgten an extrudierten Proben von acht zementbasierten Mischungen mit unterschiedlichem rheologischen Verhalten. Auf der Basis der erzielten Ergebnisse werden Vorhersagen zum Material- bzw. Stabilitätsversagen getroffen und mit den Ergebnissen des Direktdruckversuchs verglichen. Anschließend werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Prüfmethoden diskutiert. Zu diesen zählen die Techniken der Rotationsrheometrie mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit (engl.: constant rotational velocity, CRV), ein schneller Penetrationstest sowie einaxiale Druckversuche mit und ohne Querdehnungsbehinderung.