Die kontinuumsmechanische Untersuchung der Lastübertragungsmechanismen zwischen den Rovings im textilbewehrten Feinbeton trägt wesentlich zum Gesamtverständnis des mechanischen Verhaltens des Verbundmaterials bei. Neben der Erfassung der gegenseitigen Beeinflussung sich kreuzender Rovings erfordert insbesondere die mechanische Modellierung und numerische Simulation von Bewehrungsstößen und Endverankerungen die Kenntnis dieser Übertragungsmechanismen. Die numerischen Simulationen sollen u. a. zeigen, welche Endverankerungslängen und welche Übergreifungslängen an Bewehrungsstößen erforderlich sind und wie die Querbewehrung die Rissbildung beeinflusst. / This paper concerns with the investigation of stress transfer mechanisms between yarns and concrete matrix and their influence on the overall behavior of textile reinforced concrete (TRC). This investigation considers textile reinforcement splices and textile reinforcement development lengths and carried out by means of Finite-Element simulations and fracture mechanic approaches. A first modeling procedure is made towards analyzing and investigating the damage mechanisms in TRC specimen under tension loading which are mainly characterized by matrix cracking and yarn pullout. This modeling approach allows for considering the yarn crack bridging which is a main characteristic behavior of TRC. In the same manner, 3D Finite-Element models are conducted for calculating the required reinforcement development lengths and the reinforcement overlapping lengths. The conducted approach takes into account different damage mechanisms observed in the corresponding experimental investigations which are also used for calibrating the modeling procedures. Moreover, the presented approach covers a wide range of required textile reinforcement overlapping lengths and development lengths and provides the corresponding ultimate loads.

Im Rahmen umfangreicher experimenteller Untersuchungen wurden die Bruchspannungen für Textilbeton unter einaxialer, einsinniger Zugbelastung ermittelt. Im Ergebnis liegen variierende Daten vor, die auf eine nichtdeterministische (unscharfe) Bruchspannung hinweisen. Die Versuchsergebnisse stellen eine moderate Datenbasis für eine statistische Auswertung und Quantifikation der Unschärfe dar. Zur Berücksichtigung der unscharfen Bruchspannung bei der Bemessung mittels einfacher Handrechnungen muss ein deterministischer Sicherheitsabstand eingeführt werden. Der Sicherheitsabstand wird in den derzeit gültigen Normen mit Teilsicherheitsbeiwerten festgelegt, die ein ebenso normativ vorgegebenes Sicherheitsniveau gewährleisten sollten. In diesem Kontext werden im Beitrag auf der Basis von Zuverlässigkeitsbetrachtungen ermittelte Teilsicherheitsbeiwerte für Textilbeton mit AR-Glas- und Carbon-Bewehrung vorgeschlagen. / In the framework of a comprehensive experimental program the ultimate strength of textile reinforced concrete has been determined under consideration of uniaxial tensile load. In result varying data are available which indicate a non-deterministic (uncertain) strength. The experimental results provide a moderate basis for statistical evaluations and the quantification of uncertainty. Furthermore, manual calculation in structural design requires a certain safety distance. For this task, partial safety factors have been defined and incorporated in the design codes to ensure a predefined safety level. In this context, this paper gives suggestions for the definition of partial safety factors for textile reinforced concrete with AR glass and carbon reinforcement.

Das Tragverhalten von Textilbeton kann durch den Einsatz von Kurzfasern erheblich verbessert werden. Untersuchungen zeigen eine Anhebung der Erstrisslast, ein dehnungsverfestigendes Verhalten, eine Verfeinerung des Rissbildes sowie eine Anhebung der maximalen Tragfähigkeit. Unklar sind bisher noch die genauen Mechanismen, die eine gezielte Einstellung des Tragverhaltens ermöglichen. Der Beitrag fasst die Untersuchungen zu den einzelnen Bereichen der Spannungs- ehnungslinie von Textilbeton mit Kurzfasern zusammen und versucht möglichst allgemeingültige Zusammenhänge darzustellen. Dabei werden die Erhöhung der Erstrisslast, die Rissüberbrückung und die Auswirkungen auf das Gesamttragverhalten betrachtet. Abschließend wird das zyklische Biegetragverhalten von Textilbeton mit Kurzfasern im gerissenen Zustand dargestellt. / The load bearing behaviour of textile reinforced concrete can be significantly improved by the addition of short fibres. Investigations show an increase of the first crack strength, a strain-hardening behaviour, a better crack pattern distribution as well as an increase of the load carrying capacity. However, the exact mechanisms leading to this behaviour are not yet known such that a prediction of the load bearing behaviour is not possible. This paper summarises the investigations on the different parts of the stress-strain curve of textile reinforced concrete with short fibres and tries to describe general relationships. In this context the increase of the first crack stress, the crack bridging behaviour and the influence on the load-bearing behaviour in general are considered. Finally, the dynamic flexural behaviour of textile reinforced concrete with short fibres in state II is presented.

In diesem Beitrag wird die Wasserabsorption und die Wasserpermeabilität von axial vorbelasteten Prüfkörpern aus textilbewehrtem Beton (TRC) und biegebelasteten Verbundprüfkörpern (Normalbeton + TRC) im gerissenen Zustand untersucht. Durch in situ Permeabilitätsmessungen wird das dehnungsabhängige Transportverhalten im einaxialen Zugversuch beobachtet und mittels eines analytischen Modells beschrieben. Es besteht eine ausgeprägte Abhängigkeit der Transportraten von Flüssigkeiten zu relevanten Risscharakteristika (Rissanzahl, Rissbreite). Weiterhin wurden Selbstheilungseffekte von feinen Rissen infolge einer zyklischen Wasserbeaufschlagung beobachtet. Die Feuchteverteilung in einer gerissenen Normalbetonprobe und einer Verbundprobe (Normalbeton + TRC) wird mit Hilfe der Neutronenstrahlradiographie zeit- und ortsaufgelöst dargestellt. Das Eindringen von Wasser wird anhand der Messungen qualitativ vorgestellt und diskutiert. / In this study water absorption and water permeability were tested on uniaxially preloaded, cracked specimens made of textile reinforced concrete (TRC) and cracked composite specimens (ordinary concrete + TRC) preloaded in bending. The influence of imposed strain on the permeation of water was observed in-situ by using uniaxial tensile tests and described by an analytical model. The transport values for the cracked material correlated with the cracks’ characteristics (number of cracks, crack width). Furthermore, the effect of self-healing phenomena on the transport properties of TRC was considered. The distribution of water in cracked ordinary concrete and cracked composite specimens was studied by means of neutron radiography which provided with a high spatial and temporal resolution. The penetration of water is presented qualitatively and discussed.

Sandwichkonstruktionen mit Deckschichten aus dünnen Metallblechen und Stahlbeton stellen seit Jahrzehnten bewährte und wirtschaftliche Verbundkonstruktionen für Gebäudehüllen dar. Der Einsatz von dünnen Deckschichten aus textilbewehrtem Beton verbindet deren Vorteile und ermöglicht auch bei steigenden Anforderungen an den Wärmeschutz geringe Konstruktionsdicken. Der Beitrag berichtet über die Entwicklung von Ingenieurmodellen zur wirklichkeitsnahen Beschreibung des Tragverhaltens von Sandwichquerschnitten aus textilbewehrtem Beton, Hartschaumdämmkern und geeigneten Verbundmitteln. / Sandwich constructions made of thin metal sheets and structural concrete have been reliable and economic composite structures in the past decades. The application of thin-walled facings made of Textile Reinforced Concrete (TRC) combines the advantages of this construction and allows for slender construction thicknesses despite the progressing demands on thermal insulation. This contribution reports on the development of models, which enable the realistic mechanical description of the load-bearing behavior of the sandwich panels made of two TRC-facings and a core of polymeric rigid foam together with suitable connecting devices.

Die Einhaltung von Brandschutzanforderungen ist ein wichtiger Aspekt für sichere Baukonstruktionen. Beim innovativen Werkstoff textilbewehrter Beton, der einen Verbundwerkstoff aus einer Feinbetonmatrix und textiler Bewehrung darstellt, ist das Brandverhalten bisher nur unzureichend erforscht worden. Insbesondere das Tragverhalten der einzelnen Komponenten unter hohen Temperaturen stellt noch eine Wissenslücke in der heutigen Forschung dar. Dieser Artikel befasst sich mit den experimentellen Untersuchungen an einer Feinbetonmatrix, die ein Größtkorndurchmesser von 0,6 mm aufweist, sowie an AR-Glas- und Carbongarnen. Basierend auf instationären Versuchen werden das Spannungs- und Dehnungsverhalten unter hohen Temperaturen abgeleitet und Ansätze zur rechnerischen Beschreibung des Hochtemperaturverhaltens vorgeschlagen. / The design of structural members under fire attack is an important aspect for safe constructions. For the innovative material textile reinforced concrete (TRC), which is a composite material made of fine-grained concrete and textile reinforcement, the fire behavior has not been investigated insufficiently yet. Especially the load-bearing behavior under high-temperatures of the single components marks a gap in the state-of-the-art of science and technology today. This article deals with experimental investigations on a fine-grained concrete matrix, which has maximum grain size of only 0.6 mm, as well as yarns made of AR-glass and carbon. On the basis of transient tests the stress and strain behavior under high temperatures is derived. Finally, a calculative approach for the hightemperature behavior is presented.

In den letzten 15 Jahren wurde vorrangig im Rahmen eines Sonderforschungsbereiches an der Technischen Universität Dresden die Verstärkung bestehender Stahlbetonkonstruktionen mit Textilbeton erforscht. Untersuchungen des Textilbetons, welcher aus einem Feinbeton und einer textilen Bewehrung besteht, erfolgten u. a. in Bezug auf seine Wirkung als Biege-, Querkraft- und Normalkraftverstärkung. Die vorliegende Arbeit befasst sich nach Kenntnis des Aufstellers erstmals mit dem Torsionstragverhalten von textilbetonverstärkten Stahlbetonbauteilen. Sie soll somit einen Einstieg in die Thematik schaffen und einen grundlegenden Beitrag für die Forschung sowie die Anwendung des Textilbetons in der Praxis leisten. In einem Überblick zum Stand des Wissens werden Möglichkeiten der Verstärkung sowie allgemeine Eigenschaften der verwendeten Bau- und Verbundstoffe vorgestellt. Des Weiteren erfolgt eine Erläuterung der bereits von anderen Wissenschaftlern durchgeführten experimentellen und theoretischen Untersuchungen zum Torsionstragverhalten von Stahlbetonbauteilen. Für die eigenen experimentellen Untersuchungen war aufgrund der Erkenntnisse aus dem Stand des Wissens zunächst ein neuer Versuchsstand zu entwickeln. Dessen Konstruktion ermöglicht es, reine Torsionsbelastungen in die Probekörper einzuleiten und ist gleichzeitig so flexibel, dass er für die Untersuchung verschiedener Probekörperquerschnitte genutzt werden kann. Nach der Darstellung des neuen Versuchsstandes werden die Ergebnisse der 67 durchgeführten Versuche präsentiert. Diese beinhalten u. a. grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Torsionstragverhalten und der Menge, der Anordnung und dem Material der Verstärkung sowie der Bauteilgeometrie aber auch des Zusammenwirkens der textilen Bewehrung mit der Stahlbewehrung. Ein wesentliches Ergebnis der theoretischen Untersuchungen ist ein Ingenieurmodell zur Bestimmung der Torsionstragfähigkeit (Bruchmoment) der verstärkten Stahlbetonbauteile. Für dieses Modell werden – wie im Stahlbetonbau – Stabwerke verwendet, in welche die Geometrie der Bauteile und die Eigenschaften der Baustoffe einfließen. Weiterhin wurde ein erster handhabbarer Berechnungsansatz zur Abschätzung des Rissmomentes erarbeitet. Die dafür angestellten Überlegungen zum Zusammenwirken des Altbetonkerns und der Feinbetonummantelung sowie der rissunterdrückenden Wirkung der textilen Bewehrung sind ausführlich zusammengefasst. Zur Abschätzung der Verformungen im Zustand I und II werden Ansätze aus dem Stahlbetonbau überarbeitet, so dass sie auch bei verstärkten Stahlbetonbauteilen Anwendung finden können. In dem abschießend aufgestellten Bemessungsvorschlag fließen der Stand des Wissens sowie die Erkenntnisse aus den experimentellen und theoretischen Untersuchungen zusammen. In der Zusammenfassung und dem Ausblick wird verdeutlicht, dass mit dieser Arbeit nicht nur ein Einstieg in das Thema Torsionsverstärkung mit Textilbeton geschaffen wurde, sondern mit den Ergebnissen bereits ein begrenzter Einsatz in der Baupraxis denkbar ist. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit aufgezeigten offenen Fragestellungen sollten jedoch im Rahmen fortführender vertiefender Forschungsarbeiten ausführlich untersucht werden.

Les présents travaux, à caractère numérico-expérimental, visent à approfondir la connaissance relative au comportement de murs maçonnés, principalement ceux renforcés par matériaux composites vis-à-vis de sollicitations dans leur plan (flexion composée). Ils s'inscrivent dans le cadre de la réhabilitation du patrimoine bâti vis-à-vis du risque sismique notamment du fait de la reconsidération du zonage en France rendu depuis peu plus exigeant. Aussi, d'un point de vue technologique, cette thèse vise à apprécier, évaluer et hiérarchiser l'intérêt et les potentialités de solutions de renforcement mobilisant des matériaux composites, à base polymère ainsi que des composites textile-mortier de nouvelle génération, couplés à des ancrages mécaniques ayant vocation à mieux valoriser ce type d'options. Deux échelles d'analyse ont été retenues dans le cadre de la partie expérimentale. A l'échelle du matériau, dans le but de caractériser finement les matériaux constitutifs de la maçonnerie de briques de béton creux et de générer des jeux de données aussi pertinents que fiables, notamment en prévision de la modélisation numérique, des essais de compression uni-axiale et de push-out à l'échelle « réduite » ont été conduits et ont permis de souligner, en accord avec la littérature, la nécessité de tenir compte de l'interaction brique-mortier, de consolider la compréhension des mécanismes d'endommagement et de rupture des éléments de maçonnerie tout en mettant en lumière l'importance relative des dispersions obtenues. A l'échelle du composant de structure, une campagne expérimentale de flexion composée portant sur six murs, dont un mur témoin, a été conduite sous sollicitations de flexion composée dans le plan des murs avec pour impératif la nécessité de restituer les conditions limites et de sollicitations sous séisme, tout en limitant le champ de l'étude au volet statique monotone en vue d'éprouver les solutions valorisées (matériaux composites et ancrage).Cette partie a permis, audelà de la mise en avant des bonnes dispositions en termes de capacité portante, d'une part, de caractériser comparativement le comportement de ces éléments tant à l'échelle globale (déplacement, capacité de déformation et de dissipation d'énergie, etc.) qu'à l'échelle locale (endommagement, déformations localisées, etc.) via une instrumentation judicieuse, et d'autre part de cerner l'importance des ancrages mécaniques vis-à-vis des sollicitations étudiées. L'approche numérique, de type éléments finis, a été mise à profit dans un deuxième temps pour tenter de restituer le comportement des murs (à l'échelle locale et globale). Sur la base d'une lecture bibliographique critique c'est l'approche micromécanique qui a eu nos faveurs. La modélisation a été conduite en trois dimensions (3D) à l'aide du logiciel ANSYS. Ainsi, les briques et le mortier sont modélisés indépendamment mais liés parfaitement. Deux variantes ont été proposées pour la modélisation de la maçonnerie saine et leur adéquation a été évaluée. Le premier modèle s'appuie sur un couplage entre le modèle de béton d'Ansys en traction et un comportement multilinéaire en compression pour modéliser le mortier, les briques sont supposées pourvues d'un comportement élasto-plastique bilinéaire pour lequel la résistance en compression de la brique est le seuil de la phase élastique. Dans le deuxième modèle, plus en phase avec les constats expérimentaux, seul le comportement des briques est modifié en introduisant un comportement post-pic adoucissant. En ce qui concerne la modélisation des murs renforcés par matériaux composites, ces derniers (FRP et TRC) ont été considérés comme parfaitement liés au substrat de maçonnerie. Toutefois, si le renfort de type FRP est modélisé par un comportement homogène orthotrope, le TRC, rarement modélisé jusqu'à lors, est simulé via deux approches (homogène et hétérogène) dans le but d'apprécier leur pertinence... / This study, using both experimental and numerical approaches, will help to better understand the behaviour of masonry walls. It especially focuses on walls reinforced with composite materials under in-plane loading conditions. In France, more stringent seismic design requirements for building structures have taken effect. So, this research has been initiated in an effort to define reliable strengthening techniques. The selected reinforcement materials are (1) – fiber reinforced polymer (FRP) strips using E-glass and carbon fabrics and (2) – an emerging cementbased matrix grid (CMG) system. The composite strips are mechanically anchored into the foundations of the walls to improve their efficiency. The experimental program involves different levels of analysis. Small-scale models of block masonry structures, carried out with less than ten bricks, are tested. The objective is to obtain a coherent set of data, characterizing the elementary components (hollow bricks and mortar) and their interface, in order to provide realistic values of the parameters required in the foreseen modelling. Shear bond strength has been obtained from triplets and 7-uplets and compressive masonry strength from running bond prisms. These experimental results improve the knowledge of the main damage mechanisms and failure modes of masonry but they suffer from high scattering. At laboratory (large) scale, six walls have been submitted to shear-compression tests - five of them are reinforced and the last one acts as a reference. All the walls share the same boundary and compressive loading conditions, which are chosen to ensure a representative simulation of a seismic solicitation. Nevertheless, masonry walls performances and anchor efficiency are only evaluated under monotonic lateral loadings. A comparative study on global behavior (displacements, deformation capacity, energy dissipation,…) as well as on local mechanisms (local strains, damage,…) is carried out and highlights in particular that strengthened walls exhibit a high increase in shear resistance. Moreover, a 3D finite-element analysis using ANSYS has been performed to help understand the behaviour of unreinforced and strengthened walls. A micro-mechanical approach is adopted: bricks and mortar are modelled separately and linked together by a perfect bond. The Ansys concrete model, capable of cracking, is coupled with a multi-linear plasticity model in compression to describe mortar joints. In a first attempt, bricks exhibit a bilinear behavior law where the brick compressive strength is the elastic threshold; but this model fails to reproduce the resistances of the strengthened walls. To compensate for these overestimations and capture the experimental resistances, a post-pic softening behaviour is preferred for the bricks. To model strengthened walls, all composite strips are supposed to be perfectly linked with the masonry and a linear elastic law is used for the FRP reinforcements. TRC strips are either described by means of a linear law or represented using a heterogeneous approach where matrix and textile grids are modelled separately. In this case, grids are represented using a smeared approach and are embedded within the matrix mesh. So, displacement compatibility is totally satisfied between the textile and the cementitious matrix. The proposed numerical model tends to underestimate walls capacity deformation but ultimate loads and failure modes are in coherence with experimental results. Finally, existing analytical methods have been applied to assess unreinforced and strengthened walls performances. The results are then compared with the experimental data and a critical review is proposed. Existing models could be refined by taking into account more realistic behaviour laws and by relying on energy approaches to better reproduce dissipative mechanisms of TRC materials

Textile Verstärkungsstrukturen werden aufgrund der hohen Variabilität der Fadenablage, dem erreichbaren hohen Automatisierungsgrad und der guten mechanischen Kennwerte in hochbeanspruchten Faser-Kunststoff-Verbundstrukturen eingesetzt. Eine besondere Rolle spielen hier 3D-Textilverstärkungen mit gestreckter Fadenanordnung etwa in Form von 3D-Geweben, Mehrlagengestricken und -gewirken. Sie bieten neben hervorragenden Steifigkeiten und Festigkeiten durch den in Dickenrichtung angeordneten und den Fadenverbund sichernden Maschenfaden einen hohen Widerstand gegen Delaminationen sowie eine gute Drapierbarkeit. In der Arbeit wird ein neuartiges Degradationsmodell für textilverstärkte Kunststoffe bei zyklischer Belastung auf Basis kontinuums-schädigungsmechanischer Ansätze entwickelt. Dazu wird zunächst die Schädigungsphänomenologie exemplarisch für Glasfaser-Mehrlagengestrickverstärktes Epoxidharz sowohl bei einachsiger als auch erstmals bei frequenz- und phasengleicher mehrachsiger zyklischer Belastung untersucht und klassifiziert. In umfangreichen Versuchsreihen sind belastungsspezifische Schäden - in den bereits für quasistatische Beanspruchung identifizierten Bruchmoden - zu beobachten, die sich in charakteristischer Weise über den Verlauf der zyklischen Belastung aufsummieren und eine deutliche Abhängigkeit von der Belastungsart und -richtung aufweisen. In den mehrachsigen Belastungsversuchen konnte die bislang unbekannte unterschiedliche Kopplung der Zug- und Schubsteifigkeitsverläufe bzw. Druck- und Schubsteifigkeitsverläufe quantifiziert und mit den auftretenden Schädigungsphänomenen korreliert werden. Die zur Kalibrierung des Materialmodells notwendigen Kennwerte und Modellparameter werden anhand von ein- und mehrachsigen Einstufenversuchen durch Auswertung der Spannungs-Dehnungs-Hysterese sowie der Schwingfestigkeitsschaubilder ermittelt. Das Potential der hier vorgenommenen schichtweisen Lebensdauermodellierung unter Berücksichtigung von Schädigungsinitiierung und Schädigungsevolution wird in ausgewählten Validierungsversuchen demonstriert. Neben der realistischen Abbildung des Degradationsverhaltens ist eine sehr gute Vorausberechnung der richtungsabhängigen Restfestigkeit nach zyklischer Belastung möglich. Das hier entwickelte Degradationsmodell liefert damit erstmals die wesentlichen schichtbezogenen Informationen zum Werkstoffzustand während zyklischer Belastung und ist ein essentieller Grundbaustein für die umfassende Lebensdaueranalyse von textilverstärkten Strukturbauteilen. / Due to the high variability of the thread placement, the achievable high degree of automation and the good mechanical properties textile reinforcements are used in highly loaded fiber reinforced polymer structures. A specific role is played here by 3D textile reinforcements with stretched thread arrangements, for example in the form of 3D fabrics and multi-layered weft knits. In addition to excellent stiffness and strength, they provide a high resistance to delamination as well as good drapability due to the mesh thread arranged in the thickness direction securing the thread system. In this work a novel degradation model for cyclically loaded textile-reinforced polymers on the basis of continuum damage mechanics approaches is developed. For this purpose, the damage phenomenology is investigated and classified for glass fiber multi-layer weft knit reinforced epoxy resin in uniaxial as well as in-phase multiaxial cyclic loading. In extensive tests load-specific damage can be observed - in the fracture modes already identified for quasistatic stress - which characteristically develop over the course of the cyclic load and show a clear dependence on the type and direction of loading. In the multi-axial load tests, the hitherto unknown coupling of the tensile and shear stiffness or compression and shear stiffness could be quantified and correlated with the occurring damage phenomena. The characteristic values and model parameters necessary for calibrating the material model are determined by means of single- and multi-axial constant amplitude tests by evaluating the stress-strain hysteresis and the S-N curves. The potential of the presented layer-wise fatigue damage model is demonstrated in selected validation experiments. In addition to the realistic modelling of the degradation behaviour, a very good prediction of the direction-dependent residual strength after cyclic loading is achieved. For the first time, the degradation model developed here provides the essential layer-related information on the state of the material during cyclic loading and is an essential building block for the comprehensive lifetime analysis of textile-reinforced composite structures.

Alkali activated materials (AAMs) represent construction materials with a huge potential especially because of environmental and economic aspects but sufficient mechanical properties as well. A fibre or fabric reinforcement of the AAMs could support more widespread application potential due to the mechanical properties, fracture toughness or composite durability improvement. Various alkaline activators were used for a blast furnace slag (BFS) activation to produce a suitable matrix for basalt fibres (BF) implementation in this thesis. The BFs represent applicable reinforcing material because of its favourable mechanical and thermal properties. Still, the utilization of BFs in the AAMs is quite limited due to the fibres low chemical stability under the alkaline conditions. Accelerated leaching tests with a determination of basalt fibres chemical composition same as tensile strength change using various analytical techniques (XRD, XPS, SEM-EDX, ICP-OES) have confirmed these assumptions. An influence of basalt fabric reinforcement in one or more layers on the mechanical properties was determined with the meaning of the compressive and flexural strengths. The fibre/matrix adhesion and transition zone properties were studied using SEM-EDX and pull-out tests as well because they are crucial parameters for the composite material reinforcement efficiency.