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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

Rolling contacts are utilized in many technical applications, both in bearings and in the contact between gear teeth. These components are often highly loaded, which makes them susceptible to suffer from rolling contact fatigue. This work focuses on the rolling contact fatigue mechanism of pitting. In order to attain a better understanding of why pitting initiates and grows, detailed simulations of rolling contacts have been performed. In particular the contact between two gears in a truck retarder was here used as a case study. The investigated contact experienced elastohydrodynamic lubrication conditions since the load was high enough to causes the surfaces in contact to deform and the viscosity of the lubricant to increase significantly. In Paper A it was investigated if surface irregularities in the size of the surface roughness are large enough to cause surface initiated fatigue. The investigation focused on the pitch line since small surface initiated pits were found here even though there was no slip present. Since there were pits present at the pitch line, it is important that the theories of pitting can explain the development of pits also in the absence of slip. The conclusion of the work was that surface irregularities of the size of normal surface roughness are enough to cause surface initiated fatigue at the pitch line. In Paper B it was investigated why pits are more likely to initiate in the dedendum of pinion gears than in the addendum. In both areas slip is present but in different directions. In the dedendum the friction from slip is against the rolling direction which enhances the risk for pitting. The investigation was performed by studying the effect of the temperature rise in the contact caused by the slip. The conclusion drawn was that the temperature rise in the contact explained why pitting was more common in the dedendum than in the addendum. / Rullande kontakter förekommer i många applikationer, till exempel i lager och mellan kugghjulständer. Både lager och kugghjul utsätts ofta för höga laster vilket gör att dess ytor löper stor risk att utmattas, vilket kallas rullande kontaktutmattning. Denna studie fokuserar på pitting, även kallat spalling, vilket är en typ av rullande kontaktutmattning där en utmattninsspricka växer fram som får delar av ytan att ramla av. För att få en bättre förståelse varför pittingskador uppkommer har noggranna simuleringar utförts av rullande kontakter. Kontakten mellan två tänder på kugghjul i en lastbilsretarder har används som underlag då många pittingskador påträffats på dem.  För att minska friktionen och nötningen i kontakten mellan kuggtänderna användes smörjmedel. De höga lasterna lastbilsretardern utsattes för deformerade kuggarnas ytor elastiskt samtidigt de kraftigt ökade viskositeten hos smörjmedlet. Dessa förhållanden gör att kontakten kallas för elastohydrodynamiskt smord, vilket på engelska förkortas till EHL. I Artikel A undersöktes om små ytojämnheter kan orsaka ytinitierade pittingskador. Eftersom skadan påträffats i friktionslösa kontakter, så som vid rullcirkeln på de undersökta kugghjulen, är det viktigt att teorierna som förklarar uppkomsten inte är beroende av friktion. Undersökningen fokuserade därför på förhållandena vid rullcirkeln.  Slutsatsen från arbetet var att små ytojämnheter, av samma storleksordning som ytojämnheterna på de undersökta kugghjulen, är tillräckligt stora för att orsaka utmattningsskador. I Artikel B undersöktes varför det är vanligare att pitts initieras i dedendum än addendum på drivande kugghjul. Kontakten på båda sidorna om rullcirkeln slirar svagt åt olika håll. Att kontakten slirar skapar friktion som är motriktad rullriktningen i dedendum vilket ökar risken för pittingskador. För att undersöka varför dessa förhållanden ökar risken för skador fördjupades analysen av kontakten genom att inkludera temperaturfältet. Simuleringarna visade att temperaturen ökar genom kontakten vilket orsakar en asymmetrisk spänningsfördelning. Denna asymmetriska spänningsfördelning gör att ytojämnheter i dedendum är troligare att orsaka skador än ytojämnheter i addendum. / <p>QC 20180213</p>

This work investigates the velocity-dependent coefficient of friction between concrete and 300 Maraging steel over short displacements. A modified torsional Hopkinson bar is utilized for rotating thin-walled steel rings in contact with a concrete disk under static precompression. Rotational velocity is varied between tests to determine the velocity dependence of the friction coefficient. Normal force is varied between certain tests to determine the pressure dependence of the friction coefficient between the concrete and steel. Three different types of concrete are tested to deduce any composition effect on the friction coefficient. Dry and greased conditions’ impact on the friction coefficient are also evaluated. Lastly, the displacement dependence (fade) is considered for the concrete with regards to the steel. Discussion of the usefulness of this data in modeling and experimentation of impact between concrete and steel is disclosed.

This dissertation describes the synthesis, antimicrobial properties, and catalytic activity of a variety of eta5-ligand rhodium and iridium complexes. Cp*RM(beta-diketonato)Cl (Cp*R = R-substituted tetramethylcyclopentadienyl ligand) complexes were found to have selective activity against Mycobacterium smegmatis, with activity highly dependent upon the substituents on the Cp*R ligand as well as on the beta-diketonato ligand. These complexes were synthesized in good yield from the reaction of the chloro bridged dimers ([Cp*RMCl2]2) with the desired beta-diketonato ligand under basic conditions. All complexes were fully characterized by 1H and 13C NMR. Twenty single crystal X-ray structures were solved. The success of these syntheses led to investigation of another beta-diketonato ligand: 1,1,1,5,5,5-hexafluoroacetylacetonate (hfac). Though many metal complexes of this ligand are known, reaction with [Cp*MCl2]2 did not yield the desired Cp*M(hfac)Cl complexes. Instead, a variety of products were obtained, three of which were characterized crystallographically. The most interesting structure featured a non-coordinating trifluoroacetate (TFA) anion and a [Cp*Ir]3Na1O4 cubane structure, which is an unprecedented and highly unusual arrangement for iridium. Attempts to synthesize this cluster rationally through reactions of [Cp*IrCl2]2 with TFA yielded instead a chloro bridged [Cp*IrCl(TFA)] dimer. Reaction of [Cp*MCl2]2 with 1,1,1-trifluoroacetylacetonate (tfac) yielded the expected Cp*M(tfac)Cl complex, indicating that the problem lies with using hfac as a ligand for Cp*M(III) complexes. Finally, the indenyl effect was investigated for the oxidative annulation of 2-phenylimidazole with 1-phenyl-1-propyne catalyzed by a series of methyl-substituted [(indenyl)RhCl2] dimers. [(Ind*)RhCl2]2 was found to have significantly greater activity than [Cp*RhCl2]2 (100% vs. 51%). Two plausible catalytic cycles were proposed, one of which invokes a ring slip transition state. Though it is unclear if the "indenyl effect" is responsible for this differing activity, it is certainly apparent that using an indenyl ligand has a notable effect in this catalytic reaction. Cyclometalation was also investigated stoichiometrically for 2-phenyl-1H-imidazole and 1-phenylpyrazole and found to proceed readily for [(Ind*)RhCl2]2. Additionally, the crystallographic structure of a Rh+ /Rh– ionic pair was solved. Ionic pairs such as this are rarely found in the literature. / Doctor of Philosophy / This dissertation deals with the uses of a series of unusual compounds containing the metals rhodium and iridium. Though these are rare and expensive metals, the uses and benefits described in this dissertation far outweigh the costs. Overall, the compounds described in this dissertation are colorfully characterized as “piano stool” compounds because of their overall shape and appearance. The metal, either rhodium or iridium, occupies a central point in the complex. On top of the metal is a “flat” organic group that gives the appearance of the seat of the piano stool. Below the metal, there are three other groups that look like the legs of the piano stool. By appropriate choice of the metals and the surrounding groups, special properties can be designed into these “piano stool” complexes. Chapter 2 describes the synthesis of a series of complexes where the “flat” group is a variant of a five-membered carbon ring compound known as cyclopentadienyl, the metal is rhodium or iridium, and two of the three legs come from a family of compounds known as acetylacetonates (acac). This series of piano stool compounds display antimicrobial activity against a class of pathogens known as mycobacteria, an example of which causes the disease tuberculosis. Changing the cyclopentadienyl group and the acac group allows for this antimicrobial activity to be tuned. In the following chapter, attempts to make the same type of compound described in the paragraph above with fluorine-substituted acacs gave some very unexpected results. The most surprising result was a very unusual cube-shaped structure containing 3 iridium atoms, 1 sodium atom, and 4 oxygen atoms, which is an unprecedented arrangement for iridium. Finally, there is a specific example of a flat group for the piano stool known as indenyl. Indenyl is intriguing because it can change shape from a flat group to a bent group. In doing this, it provides more space around the metal for other molecules to bind. The result of this work shows that piano stool compounds created with this indenyl group are more active and selective for carrying out a catalytic reaction to make new ring systems that could have potential use in the synthesis of new flavorings, fragrances, and even pharmaceuticals.

Reinforced concrete (RC) moment frame structures make up a notable proportion of buildings in earthquake-prone regions in the United States and throughout the world. The beam-column (BC) joints are the most crucial regions in a RC moment frame structure as any deterioration of strength and/or stiffness in these areas can lead to global collapse of the structure. Thus, accurate simulations of the joint behavior are important for assessment of the local and global performance of both one-way and two-way interior BC joints. Such simulations can be used to study the flexural-shear-bond interaction, the failure modes, and sensitivity of various parameters of structural elements. Most of the existing analytical approaches for interior BC joints have either failed to account for the cyclic bond-slip behavior and the triaxial compressive state of confined concrete in the joint correctly or require so many calibrations on parameters as to render them impractical. The core motivation for this study is the need to develop robust models to test current design recommendations for 3D beam-column-slab subassemblies subjected to large drifts. The present study aims to first evaluate the flexural-shear-bond interactive behavior of two-way beam-column-slab interior connections by both finite element and nonlinear truss methodologies. The local performance such as bond-slip and strain history of reinforcing steel are compared with the experimental results for the first time. The reliability of applied finite element approach is evaluated against a series of one-way interior BC joints and a two-way interior beam-column-slab joint. The accuracy and efficiency of the nonlinear truss methodology is also evaluated by the same series of joints. Results show good agreement for finite element method against both global and local response, including hysteretic curve, local bond-slip development and beam longitudinal bar stress/strain distributions. The nonlinear truss model is also capable in obtaining satisfactory global response, especially in capturing large shear cracks. A parametric study is exhibited for a prototype two-way interior beam-column-slab joint described in an example to ACI 352R-02, to quantify several non-consensus topics in the design of interior BC connections, such as the joint shear force subjected to bidirectional cyclic loading, the development of bond-slip behavior, and the failure modes of two-way interior joints with slab. Results from connections with different levels of joint shear force subjected to unidirectional loading show that meeting the requirements from ACI 352 is essential to maintain the force transfer mechanism and the integrity of the joint. The connections achieved satisfactory performance under unidirectional loading, while the bidirectional monotonic loading decreases the joint shear force calculated by ACI 352 by 10%~26% based on current results. Poorer performance is obtained for wider beams and connections fail by shear in the joint rather than bond-slip behavior when subjected to bidirectional cyclic loading. In general, the study indicates that the ACI352-02 design methodology generally results in satisfactory performance when applied to 2D joints (planar) under monotonic and cyclic loads. Less satisfactory performance was found for cases of 3D joints with slabs. / Doctor of Philosophy / Reinforced concrete (RC) moment frames are one of the most popular structure types because of their economical construction and adaptable spaces. Moment frames consist of grid-like assemblages of vertical columns and horizontal beams joined by cruciform connections commonly labelled as beam-column joints. Because of the regularity of the grid and the ability to have long column spacing, moment frames are easy to form and cast and result in wide open bays that can be adapted and readapted to many uses. In RC structures, steel bars embedded in the concrete are used to take tensile forces, as concrete is relatively weak when loaded in tension. Forces are transferred between the steel and concrete components by so-called “bond” forces at the perimeter of the bars. The proper modeling of the behavior of bond forces inside the beam-column joints of reinforced concrete moment frames is the primary objective of this dissertation. Reinforced concrete moment frames constitute a notable proportion of the existing buildings in earthquake-prone regions in the United States and throughout the world. The beam-column joints are the most crucial elements in a RC moment frame structure as any deterioration of strength and/or stiffness in these areas can lead to global collapse of the structure. Physical experimentation is the most reliable means of studying the performance of beam-column joints. However, experimental tests are expensive and time-consuming. This is why computational simulation must always be used as a supplemental tool. Accurate simulations of the behavior of beam-column joints is important for assessment of the local and global behavior of beam-column joints. However, most of the existing analytical approaches for interior beam-column joints have either failed to account for the bond-slip behavior and the triaxial compressive state of confined concrete in the joint correctly or require so many calibration parameters as to render them impractical. The present study aims to provide reliable numerical methods for evaluating the behavior of two-way beam-column-slab interior joints. Two methods are developed. The v first method is a complex finite element model in which the beam-column joint is subdivided into many small 3D parts with the geometrical and material characteristics of each part carefully defined. Since the number of parts may be in the hundreds of thousands and the geometry and material behavior highly non-linear, setting up the problem and its solution of this problem requires large effort on the part of the structural engineer and long computation times in supercomputers. Finite element models of this type are generally accurate and are used to calibrate simpler models. The second method developed herein is a nonlinear truss analogy model. In this case the structure is modelled as nonlinear truss elements, or elements carrying only axial forces. When properly calibrated, this method can produce excellent results especially in capturing large shear cracks. To evaluate the accuracy and to quantify the current seismic design procedure for beam-column joints, a prototype two-way interior beam-column-slab joint described in an example to ACI 352R-02, the current design guide used for these elements in the USA, is analytically studied by the finite element methodology. The study indicates that the ACI352-02 design methodology generally results in satisfactory performance when applied to one-way (planar) joints under monotonic and cyclic loads. Less satisfactory performance was found for cases of three-dimensional (3D) joints with slabs.

In this work, we develop an interface-preserving level-set method in the finite-element framework for interfacial flows with moving contact lines. In our method, the contact line is advected naturally by the flow field. Contact angle hysteresis can be easily implemented without explicit calculation of the contact angle or the contact line velocity, and meshindependent results can be obtained following a simple computational strategy. We have implemented the method in three dimensions and provide numerical studies that compare well with analytical solutions to verify our algorithm. We first develop a high-order numerical method for interface-preserving level-set reinitialization. Within the interface cells, the gradient of the level set function is determined by a weighted local projection scheme and the missing additive constant is determined such that the position of the zero level set is preserved. For the non-interface cells, we compute the gradient of the level set function by solving a Hamilton-Jacobi equation as a conservation law system using the discontinuous Galerkin method. This follows the work by Hu and Shu [SIAM J. Sci. Comput. 21 (1999) 660-690]. The missing constant for these cells is recovered using the continuity of the level set function while taking into account the characteristics. To treat highly distorted initial conditions, we develop a hybrid numerical flux that combines the Lax-Friedrichs flux and a penalty flux. Our method is accurate for non-trivial test cases and handles singularities away from the interface very well. When derivative singularities are present on the interface, a second-derivative limiter is designed to suppress the oscillations. At least (N + 1)th order accuracy in the interface cells and Nth order accuracy in the whole domain are observed for smooth solutions when Nth degree polynomials are used. Two dimensional test cases are presented to demonstrate superior properties such as accuracy, long-term stability, interface-preserving capability, and easy treatment of contact lines. We then develop a level-set method in the finite-element framework. The contact line singularity is removed by the slip boundary condition proposed by Ren and E [Phys. Fluids, vol. 19, p. 022101, 2007], which has two friction coefficients: βN that controls the slip between the bulk fluids and the solid wall and βCL that controls the deviation of the microscopic dynamic contact angle from the static one. The predicted contact line dynamics from our method matches the Cox theory very well. We further find that the same slip length in the Cox theory can be reproduced by different combinations of (βN; βCL). This combination leads to a computational strategy for mesh-independent results that can match the experiments. There is no need to impose the contact angle condition geometrically, and the dynamic contact angle automatically emerges as part of the numerical solution. With a little modification, our method can also be used to compute contact angle hysteresis, where the tendency of contact line motion is readily available from the level-set function. Different test cases, including code validation and mesh-convergence study, are provided to demonstrate the efficiency and capability of our method. Lastly, we extend our method to three-dimensional simulations, where an extension equation is solved on the wall boundary to obtain the boundary condition for level-set reinitializaiton with contact lines. Reinitialization of ellipsoidal interfaces is presented to show the accuracy and stability of our method. In addition, simulations of a drop on an inclined wall are presented that are in agreement with theoretical results. / Doctor of Philosophy / When a liquid droplet is sliding along a solid surface, a moving contact line is formed at the intersection of the three phases: liquid, air and solid. This work develops a numerical method to study problems with moving contact lines. The partial differential equations describing the problem are solved by finite element methods. Our numerical method is validated against experiments and theories. Furthermore, we have implemented our method in three-dimensional problems.