Seit nunmehr über einem Jahrzehnt arbeiten die beiden Sonderforschungsbereiche 528 und 532 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an der Verwendung technischer Textilien im Bauwesen. An der RWTH Aachen (SFB 532) wurde in erster Linie der innovative Verbundwerkstoff „Textilbewehrter Beton“ untersucht, wobei das Ziel dünnwandige und hochbelastbare Betonbauteile waren. An der TU Dresden (SFB 528) wurde in erster Linie die Verwendung von technischen Textilien für die Verstärkung und Instandsetzung von Stahlbetontragwerken oder Holzbauteilen erforscht, um eine wirtschaftlich und technisch attraktive Alternative für die aktuellen Herausforderungen im Bauwesen anbieten zu können. Das 6. Kolloquium zu textilbewehrten Tragwerken (CTRS6) ist Teil einer Serie von Kolloquien, die seit 2001 von den beiden Sonderforschungsbereichen 528 (Dresden) und 532 (Aachen) abwechselnd organisiert werden. Das gemeinsame Abschlusskolloquium der beiden Sonderforschungsbereiche nach dem Ende der Förderung durch die DFG ist das sechste in dieser Reihe und wurde vom Dresdner SFB 528, allerdings diesmal zentral gelegen in Berlin, organisiert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der beiden Sonderforschungsbereiche stellten ihre aktuellen Ergebnisse vor, wobei diese von Nachwuchswissenschaftlern aus den einzelnen Teilprojekten präsentiert wurden. Ergänzt wurde das Programm durch Vorträge renommierter internationaler Gastredner auf den Gebieten der Fasern und Textilien. / For more than a decade, the collaborative research centres 528 and 532 of the Deutsche For-schungsgemeinschaft (DFG) have worked on the application of textile fabrics in civil engi-neering. The RWTH Aachen (CRC 532) first and foremost dealt with the innovative composite “textile reinforced concrete” with the aim of developing thin-walled concrete components with a heavy-load capacity. The TU Dresden (SFB 528) concentrated on re-search into the strengthening and restoration of reinforced concrete load-bearing structures or timber components to provide an economically and technically attractive alternative for the current challenges in civil engineering. The sixth colloquium on textile reinforced structures (CTRS 6) is part of a series of colloquia which has been alternately organized by the collaborative research centre 528 (Dresden) and 532 (Aachen).After the DFG’s grant had come to an end, the joint sixth and final colloquium of both collaborative research centres, which was this time organized by the CRC 528 from Dresden, took place in Berlin due to its more central location. The scientists from both col-laborative research centres presented their current results which were explained by young scientists from the individual subprojects. The programme was complemented by presenta-tions by renowned international guest lecturers from the field of fibres and textiles.

This treatise addresses the influence of the addition of short dispersed and integral fibres made of alkali-resistant glass on the fracture behaviour of textile-reinforced concrete (TRC). A series of uniaxial, deformation-controlled tension tests was performed to study the strength-, deformation-, and fracturebehaviour of thin, narrow plates made of TRC both with and without the addition of short fibres. Furthermore, uniaxial tension tests on specimens reinforced with only short fibres and single-fibre pullout tests were carried out to gain a better understanding of crack-bridging behaviour, which suppresses crack growth and widening. Various effects of the addition of short fibre on the stress-strain relationship and cracking behaviour of TRC were observed and discussed with reference to microscopic investigation of fractured surfaces.

Der innovative Verbundwerkstoff N-TRC (Nonwoven-Textile Reinforced Concrete) bestehend aus Carbonbeton (CRC – Carbon Reinforced Concrete) und betongetränktem Nadelvliesstoff (CSN – Concrete Soaked Nonwovens) ist in Form von Material- und Bauteilversuchen entwickelt und getestet worden. Nach der Ermittlung des eindimensionalen Druck- und Zugtragverhaltens des Materials sind verschiedene Konstruktionsvarianten eines Deckenträgers in 6-Punkt-Biegeversuchen untersucht worden. Die Bauweise mit N-TRC ermöglicht dabei die Herstellung dünner Querschnitte mit einer hohen Maßgenauigkeit und Anpassungsfähigkeit an räumliche Flächentragwerke. Des Weiteren weist der betongetränkte Nadelvliesstoff eine sehr feine Rissbildung und außergewöhnlich hohe Duktilität auf. Die untersuchten Bauteilabmessungen der Deckenträger reichen in der Spannweite von 3 bis 4,3 m und betragen in der Höhe 0,2 m und in der Breite 0,6 m. Die Bauelemente erreichen bei diesen Abmessungen Eigengewichte von 50 – 100 kg und übertreffen mit der experimentell ermittelten, maximalen Tragfähigkeit dabei die nominellen Gebrauchslasten um ein Vielfaches. Wie bei allen filigranen und leichten, aber sehr tragfähigen Tragstrukturen gehen diese Tragfähigkeiten mit hohen Verformungen einher, denen konstruktiv begegnet werden muss. Neben den experimentell durchgeführten Material- und Großbauteilversuchen sind analytische und mitunter relativ aufwändige numerische Simulationsmodelle entwickelt, auf die Bauteilversuche angewendet und untereinander verglichen worden. Dabei werden unter anderem mehrschichtige Carbonbewehrungen und das mehraxiale nichtlineare Spannungs-Dehnungsverhalten von Beton berücksichtigt, um das realitätsnahe Tragverhalten der Bauteile vom ungerissenen Zustand bis zum Zustand der abgeschlossenen Rissbildung abzubilden.

Die Anzahl an Brücken aus Textil- bzw. Carbonbeton wächst stetig und umso dringender wird die Fragestellung nach einer sicheren Ermüdungsbemessung von Carbonbeton. Die bloße Einführung von Abminderungsfaktoren als Widerstand gegen die Ermüdungsbelastung ist hierbei keine Option. Für eine wirtschaftliche Bemessung von Carbonbeton unter Zugschwellbelastung ist ein materialgerechtes Bemessungskonzept vonnöten, welches zunächst eine umfangreiche Untersuchung des Materialverhaltens unter Ermüdungsbelastung erfordert. Hierzu leistet die vorliegende Arbeit einen essentiellen Beitrag. Zunächst wird dabei der für die durchgeführten Untersuchungen relevante Wissensstand zusammengefasst. Anschließend werden umfangreiche Ermüdungsuntersuchungen vorgestellt, welche an zwei verschiedenen, marktüblichen Materialkombinationen durchgeführt wurden. Dabei wurden sowohl das Zug- als auch das Verbundtragverhalten von Carbonbeton unter Zugschwellbelastung betrachtet. Neben den erreichbaren Schwingspielzahlen und Resttragfähigkeiten von Durchläufern wurden auch das Spannungs-Dehnungs- bzw. -Verformungs-Verhalten, die Veränderung der Gestalt der Hystereseschleifen, die Probekörperdehnungen bzw. -verformungen und die Probekörpersteifigkeiten während der Ermüdungsbelastung untersucht. Anhand der erzielten Untersuchungsergebnisse wird schlussendlich ein Vorschlag für ein Bemessungskonzept für Carbonbeton unter Zugschwellbeanspruchung zusammengestellt. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse tragen somit dazu bei, ein grundlegendes Verständnis für das Materialverhalten von Carbonbeton bei Ermüdungsbelastung zu erhalten und die Ermüdungsbemessung für die untersuchten Materialien durchzuführen. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf weitere Materialkombinationen ist in weiterführenden Untersuchungen zu überprüfen.

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

The aim of this work is the development of mechanical models on a mesoscopic level for the analytical description of the material properties of textile reinforced concrete (TRC). For the modelling of the heterogeneous structure of TRC the concept of representative volume elements (RVE) is used. RVEs are representative for the mesoscopic structure. The overall material behaviour on the macroscopic level is obtained by means of homogenisation of the heterogeneous material behaviour on the mesoscopic level. Based on the micro mechanical solution of the elastic field of an ellipsoidal inclusion according to Eshelby a model for the determination of the material behaviour for multi-directional reinforced finegrained concrete is developed. An effective field approximation considers the interaction of the differentially orientated reinforcements in an averaged sense. Microcracks are included by additional strains in the representative volume element. The average interaction between the microcracks and the reinforcements is considered by an effective field approximation. As a criteria for the initiation of the macro cracking a critical microcrack density parameter is implemented in the mechanical model. The microcracks accumulate to macrocracks if the microcrack density parameter in the RVE exceeds this critical value. For the mechanical modelling of the bond behaviour between roving and matrix after macro cracking a multiple linear shear stress-slip relation is used. This shear stress-slip relation considers adhesion, damage and failure of the interface between roving and matrix. Hence experimentally measured pullout force-displacement curves can be simulated realistically. / Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung mechanischer Modelle auf der Mesoebene zur analytischen Beschreibung des makroskopischen Materialverhaltens von textilbewehrtem Feinbeton. Für die Modellierung der heterogenen Struktur wird das Konzept der repräsentativen Volumenelemente (RVE), die für die Mesostruktur des betrachteten Verbundwerkstoffes repräsentativ sind, verwendet. Der Übergang von dem heterogenen Materialverhalten auf der Mesoebene zum mittleren Materialverhalten auf der Makroebene erfolgt mittels Homogenisierung. Auf Basis der mikromechanischen Grundlösung für ellipsoidförmige Einschlüsse nach Eshelby wird ein Modell entwickelt, das die Ermittlung des Materialverhaltens von multidirektional bewehrtem Feinbeton ermöglicht. Durch die Anwendung einer Effektive-Feld-Theorie wird die gegenseitige Beeinflussung der unterschiedlich orientierten Bewehrungen in einem gemittelten Sinn betrachtet. Die ab einer bestimmten makroskopischen Beanspruchung entstehenden Mikrorisse berücksichtigt das mechanische Modell über einen durch die Mikrorisse hervorgerufenen zusätzlichen Verzerrungsanteil im RVE. Mittels der verwendeten Effektive-Feld-Theorie kann eine mittlere Beeinflussung zwischen den Mikrorissen und der Rovingbewehrung erfasst werden. Für den Übergang von der Mikrorissbildung zur Makrorissbildung wird für das mechanische Modell der Begriff einer maximalen Mikrorissdichte eingeführt. Überschreitet die Mikrorissdichte im RVE diesen maximalen Wert, vereinigen sich die Mikrorisse zu Makrorissen. Zur Beschreibung des mechanischen Verbundverhaltens zwischen Roving und Matrix beim Rovingauszug am Makroriss wird eine multilineare Schubspannungs-Schlupf-Beziehung verwendet, welche die Schädigung des Roving-Matrix-Verbundes bis hin zum vollständigen Versagen erfasst. Damit lassen sich experimentell ermittelte Kraft-Verformungskurven an Zugproben wirklichkeitsnah abbilden.

Das Tragverhalten von Textilbeton ist stark nicht-linear und der Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung hängt von zahlreichen Parametern ab. Unter einaxialer Zugbelastung existieren bereits umfangreiche experimentelle Untersuchungen und theoretische Modelle zur Beschreibung des Tragverhaltens. In vielen Anwendungen, z. B. bei Querkraft- und Torsionsbeanspruchung, sind die Beanspruchungen jedoch nicht einaxial und/oder nicht axial zur Bewehrungsrichtung, und es kommt zu Interaktionen der beiden Bewehrungshauptrichtungen, primär infolge des Einflusses zweier Risssysteme in den beiden Hauptrichtungen. Das Tragverhalten textiler AR-Glas- und Carbonbewehrungen unter zweiaxialen Zugbeanspruchungen wurde experimentell untersucht, um diese Einflüsse qualitativ und quantitativ beschreiben zu können. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse vorgestellt.

Textile Reinforced Concrete shows a complex load-bearing behaviour, which depends on material properties of the composite constituents and load transfer mechanisms in between. These properties cannot be modified arbitrarily in experimental investigations, which complicates identification of the impact of certain mechanisms on composite’s behaviour. In this respect, theoretical investigations offer the possibility to study the influence of individual parameters. At first, experimental results of tensile-loaded specimens are given, which help to identify different mechanisms in advance. Afterwards, respective results of numerical calculations with a reduced two-dimensional model are presented to study these mechanisms, including the effects of a reduced stiffness in the cracked state, yarn waviness and tension softening of the cementitious matrix.

Zur detaillierten Beschreibung des Lastabtragverhaltens textiler Bewehrung im Beton ist es erforderlich, das Penetrationsverhalten der Betonmatrix in die stark heterogene Garnstruktur zu beschreiben. Zur Charakterisierung der Mikrostruktur im Querschnitt wurde eine Bildanalysemethode entwickelt, um die Verbundsituation der einzelnen Filamente quantitativ auswerten zu können. Um eine räumliche Beschreibung der Verbundsituation zu erreichen, wurde die Strategie verfolgt, aus aufeinander folgenden Schichtaufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskopie eine räumliche Struktur abzuleiten. Hierzu wurden zum einen die experimentelle Vorgehensweise erarbeitet und zum anderen ein Ansatz für die Zuordnung der Filamente zwischen den einzelnen Querschnitten entwickelt.

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.