Die Entwicklung von Geweben mit gestreckten Fadenlagen ist Gegenstand aktueller Forschungen, die vielfach Sondermaschinen für ganz spezielle Anwendungen hervorbringen. Eine systematische Analyse und Optimierung der unter Berücksichtigung der Verbundeigenschaften existiert nach bekanntem Stand des Wissens nicht. Ziel der Dissertation ist es, diese Lücke zu schließen und einen Beitrag zur Etablierung von Geweben mit gestreckten Fadenlagen in Faserverbundwerkstoffen zu leisten. Die Arbeit basiert zum Teil auf den Ergebnissen, die in der Zeit von 2006 – 2012 am Institut für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik der Technischen Universität Dresden im Rahmen verschiedener AiF und DFG Vorhaben entstanden sind. Weiterführende Überlegungen wurden 2015 – 2017 im Rahmen eines Promotionsstudiums an der Professur für Textile Technologien der Technischen Universität Chemnitz angefertigt. Wie anhand konkreter Ausführungsbeispiele gezeigt wird, stößt das Weben insbesondere für Anwendungen im Faserverbundleichtbau an technologisch bedingte Grenzen. Es erfolgt zunächst eine Gegenüberstellung konventioneller Flächenbildungsverfahren und der Anforderungen seitens der Endanwender, insbesondere aus dem Bereich der Verbundwerkstoffindustrie, gleichermaßen. Daraus wird ein Anforderungsprofil für ein anforderungsgerechtes Flächenbildungsverfahren abgeleitet und konstruktive Lösungsvorschläge zu dessen Umsetzung aufgezeigt. / The development of non-crimped-fabrics (NCF) is subject of current research activities. These often led to special machines for very special applications. There is no systematic analysis and optimization of the properties of composites based on the state of the art. The aim of this dissertation is to close this gap and to contribute to the establishment of woven NCF in fiber-reinforced composites. The work is based partially on the results obtained at the Institut für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik der Technischen Universität Dresden from 2006 to 2012 within the framework of various AiF and DFG projects. Further reflections were made between 2015 and 2017 as part of a doctoral study at the Chair of Textile Technologien der Technischen Universität Chemnitz. As shown from examples of the design, weaving is reaching technological limits, especially for applications in composite construction. First of all, conventional surface formation methods are compared with the requirements of end users, especially from the composites industry. From this, a requirement profile is derived for a requirements-based surface formation process and constructive proposals for solutions for its implementation are identified.

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.

Nach zwölf Jahren endete am 30.6.2011 die Förderung des Sonderforschungsbereiches 528 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Der Abschlussbericht fasst die zentralen Ergebnisse des Sonderforschungsbereiches auf dem Gebiet der Verstärkung und Instandsetzung mit textilbewehrtem Beton über die gesamte Laufzeit des SFBs zusammen. Dazu berichten die einzelnen Teilprojekte über ihre aktuellen Erkenntnisse aus der letzten Förderperiode.

Infolge des Herstellungsprozesses textiler Bewehrungen ergeben sich unterschiedliche Materialeigenschaften in den beiden Hauptrichtungen (Schuss und Kette). Diese Unterschiede entstehen durch verschiedene Einflussfaktoren, z. B. aus dem Verbundverhalten oder der Querschnittsform der Rovings. Um das Tragverhalten des anisotropen Verbundwerkstoffes Textilbeton experimentell untersuchen zu können, müssen mögliche Einflüsse aus dem Versuchsaubau möglichst gering gehalten werden, bzw. – falls unvermeidbar – in ihrer Wirkung qualitativ und quantitativ bestimmt und bei der Auswertung der Versuchsergebnisse berücksichtigt werden. Auf der Grundlage der durchgeführten umfangreichen experimentellen Untersuchungen wird eine qualitative Bewertung des Versuchsstandes sowie der verwendeten berührungslosen Messtechnik, der Nahbereichsphotogrammetrie, vorgenommen.

Sandwichelemente mit Deckschichten aus Textilbeton und tragenden Dämmkernen verfügen über ein breites Leistungsprofil, von selbsttragenden Fassadenbauteilen bis zu tragenden Wand-, Dach- und Deckenbauteilen. Trotz der geringen Bauteilstärke von nur 18 – 20 cm besitzen Sandwichelemente aus Textilbeton neben der hohen Tragfähigkeit ein günstiges bauphysikalisches Verhalten hinsichtlich des Wärme- und Schallschutzes. Anhand eines kleinen Experimentalbaus wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 532 an der RWTH Aachen die Anwendbarkeit von tragenden Sandwichbauteilen verifiziert. Dabei wurden wesentliche Fragestellungen wie Konstruktion und Gestalt, Tragverhalten, Bauteilfügung, Herstellungstechnik und Montage untersucht.

Für das Funktionieren von Verstärkungsschichten aus Textilbeton ist eine sichere Kraftübertragung zwischen den einzelnen Verbundbaustoffen sicherzustellen. Aufgrund der sehr hohen Garnzugfestigkeiten sind besonders bei Verwendung textiler Bewehrungen aus Carbon sehr effektive Verstärkungen herstellbar. In Textilbetonbauteilen sind hierbei im Regelfall Übergreifungsstöße der textilen Bewehrungslagen nicht zu vermeiden. Der vorliegende Beitrag befasst sich daher mit der experimentellen und analytischen Bestimmung der Übergreifungslängen textiler Bewehrungsstrukturen innerhalb von Textilbetonverstärkungsschichten. / A safe introduction and transmission of the acting forces is crucial for the functioning of composite materials. Because of the very high yarn tensile strengths of textile reinforcements made of carbon, the manufacturing of very effective TRC strengthening layers is possible. In TRC members, overlap joints within the textile layers usually cannot be avoided. This contribution deals with the experimental and analytical determination of the lap lengths of textile fabrics within a textile reinforced concrete strengthening layer.

Für die Anwendung des Verbundwerkstoffes „Textilbewehrter Beton“ sind die numerischen und experimentellen Grundlagenerkenntnisse zum Tragverhalten von Bauteilen in für die Baupraxis geeignete Nachweismodelle und Konstruktionsregeln zu überführen. Die aus dem Stahlbetonbau bekannten Ansätze müssen wegen der abweichenden Material- und Verbundeigenschaften für textilbewehrte Betonbauteile angepasst werden. Im Beitrag werden die grundlegenden Tragmechanismen textilbewehrter Elemente unter Zug-, Biege- und Querkraftbeanspruchung sowie punktförmiger Zugbeanspruchung beschrieben und die aus den Untersuchungsergebnissen abgeleiteten Nachweismodelle vorgestellt. Darauf aufbauend werden Sicherheitsbeiwerte für die textile Bewehrung ermittelt und die Berechnungsmodelle in ein Sicherheitskonzept eingebunden. Als einheitlicher Teilsicherheitsbeiwert für Textilbeton wird γtex = 1,5 vorgeschlagen. / For the application of the composite material Textile Reinforced Concrete (TRC) the numerical and experimental knowledge of the load bearing behaviour of construction elements has to be transferred into design models and construction rules applicable for the practice. Due to differences in the material and bond properties the design approach known for steel reinforced concrete has to be adjusted for textile reinforced concrete construction parts. In this paper the basic load-bearing mechanisms of textile reinforced concrete under tension, bending and shear loading as well as under concentrated tensile loading are described and empirically derived design models are presented. Based on the experimental results safety factors for the textile reinforcements are determined and the design models are integrated into an overall safety concept. A partial safety factor for textile reinforced concrete of γtex = 1,5 is recommended.

Die Verwendung von Endlosfilamenten aus Carbon als Bewehrungsmaterial für Beton, sogenannter Textilbeton, bietet die Möglichkeit der Sanierung und der Verstärkung bestehender Stahlbetonkonstruktionen. Dabei muss die Frage nach dem Feuerwiderstand von derart verstärkten Tragwerken beantwortet werden. Aufschluss darüber liefern Brandversuche. Mit Textilbeton verstärkte Stahlbetonplatten haben in Brandversuchen nach der Einheits- Temperaturzeitkurve bei 33 % der Traglast mehr als 60 Minuten standgehalten. Bei 50 % der Traglast kam es nach einer Branddauer von 55 Minuten, bei 65 % nach 30 Minuten, zu einem Zugversagen der textilen Verstärkungsschicht. Bei während des Brandes unbelasteten bzw. gering belasteten Platten lagen die im Anschluss ermittelten Resttragfähigkeiten bei 65 % der Bruchlast nach 30 Minuten Branddauer bzw. bei 50 % der Bruchlast nach 60 Minuten Branddauer. Während und nach der Beflammung waren zunehmende Durchbiegungen und Rissbreiten erkennbar. Es traten aber keine Abplatzungen auf, weshalb die Verstärkungsschicht aus Textilbeton als zusätzliche Betondeckung für die Stahlbewehrung angerechnet werden kann. Diese außerordentlich positiven Ergebnisse zeigen, dass für verstärkte Konstruktionen Feuerwiderstandsklassen von F60 bzw. R60 ohne zusätzliche Maßnahmen erreicht werden können. Dies ist von hoher Relevanz für die wirtschaftliche Anwendung dieser Verstärkungsmethode. Für ein umfassendes Verständnis der Interaktion zwischen den Bewehrungen Textil und Stahl sowie der Versagensmechanismen während des Brandes, sind weitere Erkenntnisse über die mechanischen Eigenschaften von Textilbeton im Hochtemperaturbereich nötig. Auch der Einfluss der Oxidation des Carbons konnte nicht abschließend beurteilt werden. / Using endless carbon filaments for concrete reinforcement, so called textile reinforced concrete, the possibility of reconstruction and strengthening of existing concrete structures arises. The question concerning fire resistance of structures strengthened like this has to be answered. Fire tests provide answers. Steel reinforced concrete slabs strengthened with textile reinforced concrete loaded with 33 % of ultimate load survived an ISO-fire for 60 minutes. Loaded with 50 % and 65 % of ultimate load the slabs failed after 55 minutes and 30 minutes of fire exposure due to tension failure of the textile reinforcement layer. Slabs not loaded or with a low load level during fire exposure showed remaining bearing resistances of 65 % of ultimate load after 30 minutes and 50 % of ultimate load after 60 minutes of fire exposure. During and after fire exposure rising deflections and growing crack widths were observed. However no spalling occurred. Therefore the textile reinforced concrete layer can be taken into account as concrete covering for the steel reinforcement. Those extraordinary positive results document, that reinforced concrete structures with additional fibre reinforced concrete can achieve fire resistance classes of R60 without additional provisions. To achieve comprehensive understanding of interaction between steel and fibre reinforcement and failure mechanisms in case of fire more knowledge concerning the mechanic properties of fibre reinforced concrete at high temperatures is essential. The influence of oxidation of the carbon fibres could not fully be answered.

Ein Ziel des Sonderforschungsbereiches 528 war, das Verbundsystem auf allen Skalenebenen so präzise beschreiben zu können, dass eine hinreichende Genauigkeit bei der Berechnung des Tragverhaltens von Stahlbetonbauteilen mit Textilbetonverstärkung nicht nur bei der Nachrechnung, sondern auch bei der Prognose erreicht wird. Die Vorhersagequalität von Tragfähigkeiten für die Biege-, Querkraft- und Normalkraftverstärkung wurde mit Hilfe von Großversuchen nachgewiesen, deren Ergebnisse vor der Berechnung nicht bekannt waren. Anhand der bereitgestellten Materialparameter und Geometriedaten wurde in den numerischen Teilprojekten sowie in einem experimentell orientierten Teilprojekt das Tragverhalten prognostiziert. Danach wurden die Versuche durchgeführt. Die prognostizierten Traglasten wurden durch die Experimente bestätigt. Der vorliegende Beitrag fokussiert auf die Querkraftverstärkung, da eine detaillierte Beschreibung aller Versuche den Rahmen sprengen würde. / One aim of the developments in the SFB 528 was the description of the compound system as precisely as possible at all scale levels that an adequate precision is not achieved by reinforced concrete components at the calculation of the load carrying behaviour with TRC reinforcements only at the historical calculation but also at the forecast. The forecast quality of load-capacities for the bend, shear and normal force strengthenings was proved with the help of large-scale experiments whose results were not confessed before the calculation. With the provided material parameters and geometry data the load carrying behaviour was forecast in the numeric subprojects as well as in an experimentally oriented subproject. After that the tests were carried out. The forecast loads were confirmed by the experiments. The paper on hand focuses on the shear strengthening since a detailed description of all tests would go beyond the scope.

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.