In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten zur Traglaststeigerung von Beton- und Stahlbetonbauteilen unter Biegebeanspruchung durch das Verstärken mit textiler Bewehrung experimentell untersucht. Nach einer ausführlichen Recherche alternativer Techniken zur Querschnittsergänzung hinsichtlich der jeweiligen Beschichtungstechnologie, Anwendbarkeit und des Bemessungsmodells wird das Verstärken mit textilbewehrtem Beton als ein vorteilhaftes Verfahren deutlich herausgestellt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Beschreibung des Materialverhaltens der beteiligten Baustoffe mit Hauptaugenmerk auf die sich verändernden Materialeigenschaften der textilen Einzelfaser mit fortschreitender Weiterverarbeitung zum Garn bis hin zu einer textilen Bewehrungsstruktur. Die experimentellen Untersuchungen wurden an Platten und Balken durchgeführt, die aus einem Beton der Festigkeitsklasse C20/25 bestanden. Die Verstärkung erfolgte mittels textiler Bewehrungen aus alkaliresistentem Glas-Textil. Der Betonstahlbewehrungsgrad der untersuchten Bauteile variierte ebenso wie die textile Bewehrungsfläche. Die Versuche werden hinsichtlich der möglichen Traglasterhöhung gegenüber unverstärkten Referenzbauteilen sowie den Verformungen, Rotationen, Dehnungen und der Rissentwicklung ausgewertet. Anschließend wird ein Bemessungsvorschlag für textil verstärkte Bauteile unterbreitet.

Strain-hardening cement-based composites (SHCC) are a special class of fiber-reinforced concrete which develop multiple, fine cracks when subjected to increasing tensile loading, reaching strain capacities of up to several percent. The tensile behavior of SHCC is a result of a purposeful material design accounting for the mechanical and physical properties of the cementitious matrix, of the reinforcing fibers and of their interaction. The exceptionally high energy dissipation through inelastic deformations before reaching tensile strength makes SHCC suitable for manufacturing or strengthening of structural elements which may be subjected to impact loading. However, the tensile behavior of SHCC is highly strain rate dependent, both in terms of tensile strength and strain capacity. The different strain rate sensitivities of the constitutive phases of SHCC (matrix, fiber and interfacial bond) lead to disproportionate dynamic alteration of their mechanical properties under increasing strain rates and, consequently, to an impairment of the micromechanical balance necessary for strain-hardening and multiple cracking. Thus, high energy dissipation under impact loading can only be ensured through a targeted material design. This work presents a series of mechanical experiments at different strain rates and different scales of investigation with the goal of developing a qualitative and quantitative basis for formulating material design recommendations for impact resistant SHCC. Three different types of SHCC were investigated, consisting of two types of polymer fibers (polyvinyl-alcohol and high-density polyethylene) and cementitious matrices (normal-strength and high-strength). Uniaxial tension experiments were performed on SHCC specimens and on non-reinforced matrix specimens with different testing setups at strain rates ranging from 10-4 to 150 s-1. Besides the measured mechanical properties, special attention was paid to the crack patterns and the condition of fracture surfaces. Additionally, micro-scale investigations were performed to quantify the strain rate dependent changes in the mechanical behavior of individual component phases, i.e., matrix, fibers and fiber-matrix bond. The results obtained from the micromechanical investigations were used in an analytical model for crack bridging. The model links the micromechanical parameters and their strain rate sensitivities to the single-crack opening behavior under increasing displacement rates, making it useful for material design purposes. If given an extensive experimental basis for the fracture mechanical properties of the non-reinforced cementitious matrices, the model can be extended for predicting the strain capacity (multiple cracking) of SHCC under different strain rates. / Die hochduktilen Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) bilden eine besondere Klasse von Faserbetonen, die eine multiple Rissbildung unter zunehmenden Zugspannungen aufweisen, was zu einer sehr hohen Bruchdehnung führt. Das dehnungsverfestigende, hochduktile Zugverhalten der SHCC wird durch eine gezielte Materialentwicklung erreicht, die die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der zementgebundenen Matrizen, der Kurzfasern und deren Zusammenwirkung berücksichtigt. Das außergewöhnliche Energieabsorptionsvermögen der SHCC durch plastische Verformungen vor dem Erreichen der Zugfestigkeit qualifiziert diese Verbundwerkstoffe für die Herstellung oder Verstärkung von Bauteilen, die Impaktbeanspruchungen ausgesetzt sein könnten. Jedoch weisen SHCC sowohl bezüglich deren Zugfestigkeit als auch deren Dehnungskapazität ein ausgeprägtes dehnratenabhängiges Verhalten auf. Unter zunehmenden Dehnraten führen die unterschiedlichen Dehnratensensitivitäten der gestaltenden Phasen von SHCC (Matrix, Faser und deren Verbund) zur Beeinträchtigung des mikromechanischen Gleichgewichts, welches für die Dehnungsverfestigung und multiple Rissbildung erforderlich ist. Eine hohe Energiedissipation unter Impaktbeanspruchungen kann deshalb nur durch eine gezielte Materialentwicklung der SHCC hinsichtlich deren Verhaltens unter hohen Dehnraten gewährleistet werden. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Reihe von experimentellen Untersuchungen mit verschiedenen Dehnraten und an unterschiedlichen Betrachtungsebenen, mit dem Ziel eine qualitative und quantitative Basis für Empfehlungen zur Materialentwicklung von Impakt-resistenten SHCC zu schaffen. Drei verschiedene SHCC-Zusammensetzungen wurden untersucht. Die Referenz-Zusammensetzung aus einer normalfesten zementgebundenen Matrix und Polyvinyl-Alkohol-Kurzfasern wurde mit zwei unterschiedlichen SHCC verglichen (hochfest und normalfest), die mit Kurzfasern aus hochdichtem Polyethylen bewehrt wurden. Einaxiale Zugversuche wurden an SHCC-Proben und unbewehrten Matrix-Proben mit verschiedenen Prüfvorrichtungen bei Dehnraten von 10-4 bis 150 s-1 durchgeführt. Zusätzlich zu den gemessenen mechanischen Eigenschaften wurden die Rissbildung und die Bruchflächen detailliert untersucht. Darüber hinaus wurden mikromechanische Untersuchungen durchgeführt, um die Dehnratensensitivität der einzelnen Phasen, d.h. Matrix, Faser und deren Verbund zu beschreiben. Die aus den mikromechanischen Untersuchungen erzielten Ergebnisse wurden als Eingangswerte in einem analytischen Einzelriss-Modell verwendet. Das entwickelte Modell verbindet die mikromechanischen Parameter und deren Dehnratenabhängigkeit mit dem Rissöffnungsverhalten von SHCC bei zunehmenden Verschiebungsraten. Das macht es vorteilhaft für Materialentwicklungszwecke. Das Modell kann für die Vorhersage der Dehnungskapazität von SHCC bei diversen Dehnraten weiterentwickelt werden, wenn eine umfassende experimentelle Basis für die bruchmechanischen Eigenschaften der Matrizen vorliegt.

Die Arbeit widmet sich der Simulation und der Prognose des Materialverhaltens des Hochleistungsverbundwerkstoffes Textilbeton unter Zugbeanspruchungen. Basierend auf einer hierarchischen mechanischen Modellbildung (Multi-Skalen-Analyse) werden die Tragmechanismen des Verbundwerkstoffes auf drei Strukturebenen abgebildet. Damit lassen sich die den Verbundwerkstoff charakterisierenden mechanischen Kenngrößen aus experimentell ermittelten Kraft-Verschiebungs-Abhängigkeiten ableiten. Diese Kenngrößen sind mit heutiger Messtechnik nicht direkt experimentell bestimmbar. Es wird ein Mikro-Meso-Makro-Prognosemodell (MMM-Prognosemodell) für Textilbeton entwickelt, das basierend auf der Simulation des Mikrostrukturverhaltens das makroskopische Materialverhalten prognostiziert. Die Grundlage dafür bildet die qualitative und quantitative Bestimmung der Verbundeigenschaften zwischen der Filamentbewehrung und der einbettenden Matrix. Für das Verbundverhalten von Rovings in einer Feinbetonmatrix wird, ausgehend von einer Rovingapproximation mit superelliptischem Querschnitt, die partielle Imprägnierung des Rovings und die daraus resultierende Verbundwirkung identifiziert und simuliert. Auf Grundlage der mikro- und mesomechanischen Modelle sowie der Kalibrierung und Verifizierung des MMM-Prognosemodells durch die Simulation von Filament- und Rovingauszugsversuchen wird das makroskopische Zugverhalten von Textilbeton mit Mehrfachrissbildung prognostiziert. Die numerischen Ergebnisse werden durch die Ergebnisse der experimentellen Dehnkörperversuche validiert. Das MMM-Prognosemodell für Textilbeton wird im Rahmen einer hierarchischen Multi-Skalen-Analyse auf Zugversuche von Textilbetonbauteilen angewendet. Weiterhin wird die Verstärkungswirkung einer Textilbetonschicht an Stahlbetonbauteilen unter Biegebeanspruchung zutreffend simuliert. Es wird das nichtlineare Bauteilverhalten abgebildet, wobei die Bauteildurchbiegung, die effektiven Rovingbeanspruchungen und die Beanspruchungen der Filamente im Roving abgebildet werden. / The present work deals with the simulation and the prediction of the effective material behavior of the high performance composite textile reinforced concrete (TRC) subjected to tension. Based on a hierarchical material model within a multi scale approach the load bearing mechanisms of TRC are modeled on three structural scales. Therewith, the mechanical parameters characterizing the composite material can be deduced indirectly by experimentally determined force displacement relations obtained from roving pullout tests. These parameters cannot be obtained by contemporary measuring techniques directly. A micro-meso-macro-prediction model (MMM-PM) for TRC is developed, predicting the macroscopic material behavior by means of simulations of the microscopic and the mesoscopic material behavior. The basis is the qualitative and quantitative identification of the bond properties of the roving-matrix system. The partial impregnation of the rovings and the corresponding varying bond qualities are identified to characterize the bond behavior of rovings in a fine-grained concrete matrix. The huge variety of roving cross-sections is approximated by superellipses on the meso scale. The macroscopic behavior of TRC subjected to tension including multiple cracking of the matrix material is correctly predicted on the basis of the micro- and meso-mechanical models. The calibration and verification of the MMM-PM is performed by simulations of roving pullout tests, whereas a first validation is carried out by a comparison of the numerical predictions with the experimental data from tensile tests. The MMM-PM for TRC is applied to tensile tests of structural members made of TRC. Furthermore, a steel-reinforced concrete plate strengthened by a TRC layer is accurately simulated yielding the macroscopic deflection of the plate, the mesoscopic stress state of the roving and the microscopic stresses of the filaments.

Textilbewehrter Beton zur Verstärkung von Stahlbetonbauteilen ist neben den klassischen und etablierten Verfahren eine äußerst interessante Alternative, die die Vorteile der leichten Kohlenstofffaserklebeverstärkungen mit denen von Spritzbeton mit Bewehrung verbindet. Aus den theoretischen und experimentellen Untersuchungen in dieser Arbeit können wichtige Erkenntnisse zum gemeinsamen Tragverhalten von Betonstahl und textiler Bewehrung sowie zu den Auswirkungen der verbundbedingten Unterschiede abgeleitet werden. Mit den theoretischen Betrachtungen werden das gemeinsame Tragverhalten und der Einfluss des unterschiedlichen Verbundverhaltens auf die Zugkraftaufteilung gezeigt und qualifiziert. Die Behandlung der verbundbedingten Unterschiede bei gemischt mit Betonstahl und Textil bewehrten Zuggliedern ist analog dem Vorgehen bei gemischter Beton- und Spannstahlbewehrung bzw. Klebebewehrung mit Verbundbeiwerten darstellbar. Zur Ableitung entsprechender Kennwerte werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert. Zudem wird eine vereinfachte Bemessung vorgeschlagen. Insgesamt sind die Ergebnisse ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur baupraktischen Anwendung von Textilbetonverstärkungen und ermutigen bereits zum umsichtigen Einsatz unter Beachtung der Sicherheitsaspekte. Noch offene Fragen und notwendiger Klärungsbedarf sollten die Wissbegier anregen und vertiefende Forschungsvorhaben und weitere experimentelle Untersuchungen ermöglichen. / Textile reinforcement represents an excellent alternative to existing techniques for strengthening of concrete structures, combining the benefits of lightweight fiber reinforced polymer strengthening with those of shotcrete with reinforcement. The theoretical and experimental studies in this thesis provide essential insights into the common load bearing behaviour of reinforcing steel and textile reinforcements as well as on the impact of the different bond characteristics of both types of rein-forcement. With the theoretical investigations, the combined load bearing behaviour and the influence of the different bond characteristics on distribution of the forces could be shown and qualified. The inter-action of both reinforcement types, taking into account the different bond characteristics, can be represented by bond coefficients analogous to the approach to mixed steel and pre-stressing-steel reinforcements. So as to derive the appropriate parameters, several options were discussed. Moreover, a simplified approach to design a TRC-strengthening-layer was proposed. Overall, the results are an essential step towards the practical application of textile reinforced con-crete for the strengthening of concrete structures and should already be encouraging the prudent use while considering the necessary safety aspects. Remaining issues and necessary clarifications should stimulate curiosity and in-depth research projects and allow further experimental studies.

Bei den Forschungsaktivitäten wird von aktuellen Fragestellungen der Baustofftechnologie ausgegangen, wobei die Lösung akuter Probleme der Baupraxis und die Schaffung von soliden theoretischen Grundlagen in gleichem Maße angestrebt werden. Die Forschung wird hierbei vor allem durch interdisziplinäres Arbeiten geprägt. Zu den aktuellen Forschungsschwerpunkten zählen insbesondere: Entwicklung neuer zementbasierter Verbundwerkstoffe sowie von Verfahren zu deren Herstellung mit besonderem Akzent auf Faserbetone (Hochduktiler Beton mit Kurzfasern, Beton mit textiler Bewehrung, Ultrahochfester Beton mit innerer Nachbehandlung, Selbstverdichtender Leichtbeton, Beton mit sehr hohem Verschleißwiderstand) Untersuchung der Kurz- und Langzeiteigenschaften von neuen und bestehenden Baustoffen auf mineralischer Basis (Beton, Mörtel, Mauerwerk); Erforschung der für das Materialverhalten maßgebenden Mechanismen sowie der Mittel zu deren gezielten Beeinflussung (Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten unter monotoner, zyklischer und stoßartiger Beanspruchung sowie Schwinden und Kriechen von Beton; Transport von korrosiven Medien unter Berücksichtigung der Rissbildung, Schädigungsmechanismen und Dauerhaftigkeit) Modellierung des Baustoffverhaltens; Ableitung von stoffgesetzlichen Beziehungen; numerische Simulation des Materialverhaltens in unterschiedlichen Stadien seines "Lebens" (Herstellung, Verarbeitung, Erhärtung, mechanische Beanspruchung, Exposition von korrosiven Medien etc.)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Versuchskonzept für zweiaxiale Zug-Zug-Versuche an textilbewehrten Betonscheiben behandelt. Diese Arbeit soll einen Beitrag leisten, die Kenntnisse aus dem Maschinenbau, der Mechanik in den Bereich der Bauingenieure und Baustoffe umzusetzen, um alle Effekte, die vom Versuchstand verursacht werden, öffentlich zu machen. Es ist ein Versuchskonzept zu erarbeiten, wie ein experimenteller Zug-Zug-Versuch optimal zu gestalten ist, um das Tragverhalten des textilbewehrten Betons genau zu ermitteln. Die Arbeit ist hauptsächlich in zwei Teile gegliedert. Der erster Teil befasst sich mit dem Thema „Versuchsvorbereitung“. Es beinhaltet folgende Hauptpunkte: • Der erste Punkt beschäftigt sich mit der Auswertung durchgeführter Versuche und deren Versuchsaufbauten. Hier werden Aspekte von der konstruktiven Auslegung der Rahmen bis zur Steuerung der Prüfmaschine behandelt. Es wird diskutiert, welche Effekte auf das Versuchsergebnis vom gewählten Hydrauliksystem bzw. von den Hydraulikzylinder und der Steuerung des Öldrucks ausgehen können. • Im zweiten Punkt wird eine Finite–Element–Simulationen durchgeführt, um die zweiaxialen Zug-Zug-Versuchskörper zu konzipieren. Mit Hilfe von einem Finite–Element– Programm, hier ATENA, wird die Probengeometrie mit den Randbedingungen des Versuchs nachgebildet und optimiert. • Der dritte Punkt beschäftigt sich mit dem Thema „Lasteinleitung“. Ein Konzept für die Verbindung und Kraftübertragung von Stahlplatten (Stahllasche) zur Lasteinleitung in „Beton“ soll entwickelt werden. • Der vierte Punkt beschreibt die gewählte Messmethode der Versuchsdurchführung, und wertet deren Potenzial und Möglichkeiten . Der zweiter Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt detailliert die fünf durchgeführten zweiaxialen Zug–Zug–Versuche an mit AR-Glas textilbewehrten Betonscheiben. Die textilbewehrten Betonscheiben werden am Rahmen der zweiaxialen Prüfmaschine eingehängt und zweiaxial mit jeweils konstantem Verhältnis der Beanspruchung in Zug–Zug Richtung belastet, um den Versuchstand zu erproben und auszutesten. Die Gedanken, Ergänzungen und Erkenntnisse der Autorin im Zusammenhang mit dem textilbewehrten Beton und die hier auftretenden Effekte werden auch in diesem Kapitel behandelt. Das Schlusskapitel der Arbeit beinhaltet die Zusammenfassung und den weiteren Ausblick. Aus diesem Anlass werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zusammengefasst. / This doctoral thesis pertains to the conception for Bi–axial Tension–Tension Tests of thin textile reinforced concrete plates. This dissertation contributes to the application of mechanical engineering knowledge into the specific area of Material–Construction Engineering; all results obtained from experimental conditions will be released to the public. The conception of this testing regime is presented, as well as the manner in which an experimental Tension–Tension Test can optimally ascertain and accurately predict and describe load-bearing behaviour of textile reinforced concrete (TRC). This thesis is generally subdivided into two parts –“Test Preparation” and the detail of Bi-axial Tension-Tension testing on AR-Glass TRC plates. The “Test Preparation” component of this document includes the following four principal points. The first point is concerned with the assembly of testing equipment. Problems stemming from framework or lack of control over the testing machine are examined here. Negative effects on test results induced by the Hydraulic cylinder and related oil pressure are investigated and complemented in this section. The second point focuses on the numerical simulation used in order to determine the Bi–axial Tension–Tension Test samples. The specimen geometry given the testing boundary conditions was copied and optimized by means of a Finite–Element–Program (ATENA). The third point is concerned with the notion of “load application”. It was necessary to develop a premise for the loading transmission and connection between steel plates (steel mounting plates) and concrete cogs. The final point takes into account the methods used for measuring the Bi–axial Tension–Tension–test of this work. The second component present in this thesis describes in detail the five Bi–axial Tension–Tension–Tests conducted on AR–Glass TRC plates utilized to prove and ensure the accuracy of the experimental equipment. The TRC plate was built on frame of the bi-axial testing machine and received tensile loading in both directions. This loading relationship was held constant in both directions during the test. Furthermore, the author presents her own thoughts, as well as supplemental commentary, associated with textile reinforced concrete and the resulting experimental outcomes. The last chapter closes this doctoral thesis and includes the abstract of and further prospects for this study. All scientific cognitions are summarised in this chapter.