Textile Reinforced Concrete (TRC) with a small thickness, high tensile and compressive strength has been combined with lightweight materials to create sandwich elements. Due to the low strength of the core materials in the sandwich elements, the additional shear connector devices were suggested to improve the load capacity. However, it raised an idea of using a higher strength material core, Expanded Polystyrene Concrete (EPC), without any connector devices to create a new type of lightweight sandwich element, which can be an answer for not only developing lightweight structures but also solving environmental problems. In this thesis, this novel idea was gradually realized with a study on TRC-EPC sandwich beams. Firstly, experimental material tests on EPC showed the possibility to recycle EPS waste for EPC with a density of around 950 kg/m3. Thus, an EPC with a density of 920 kg/m3 and a compressive strength of 5.2 N/mm2 was chosen for the core to realize the concept for TRC-EPC sandwich with 18 experimental beams. Bending tests of six series with shear-to-depth-ratio (a/d) from 1.5 to 5.2 were implemented to study load responses of this type of sandwich beam. The failure moments of all the specimens were smaller than the nominal moment strength of the cross section. The load capacities of the specimens depend strongly on the ratio a/d. The calculations for the shear capacity according to standards as well as shear calculation approaches were implemented. Due to their generalized form, ACI 318-05 and EC2 offer conservative results for a/d<5.2. The dependence of the shear capacity on a/d could be better described with CEB-FIB Model Code 1990. For the beams with 1.5<a/d and a/d<2.1, Strut and Tie Model gave the most suitable results. In case a/d>2.1, ZINK’s model offered better results than the others. Besides, a new proposed equation for the shear capacity of TRC-EPC sandwich beams depending on the a/d was also suggested. In order to model the load response of the six experimental series, FEM models with ATENA developed. The models with and without a consideration of the bond between the textile and fine HSC in the TRC layer underestimated the load capacity with tolerance 26% and 28 % respectively. The tolerances for the deflections in the models with a/d>2.5 were around 22 % and 23%. Finally, an engineering model originally based on sandwich theory was developed to model the load-deflection response of this type of sandwich beams. The model could predict the displacement with tolerances from -24 % to 12 %. The load capacity of TRC-EPC sandwich beams was underestimated with a tolerance in the range of 15- 34 %. / In dieser Arbeit wurde eine neue Sandwichkonstruktion untersucht, für die Textilbeton, ein Werkstoff mit geringer Dicke und gleichzeitig hoher Zug- und Druckfestigkeit, mit leichten Kernmaterialien kombiniert wurde. Aufgrund der geringen Festigkeit der Kernmaterialien werden in vielen Sandwichkonstruktionen zusätzliche Schubverbinder benötigt, um eine ausreichende Tragfähigkeit zu erreichen. Dies führte zu der Idee, Expanded Polystyrene Concrete (EPC) als höherfestes Kernmaterial zu verwenden, das keine zusätzlichen Verbindungsmittel benötigt. Damit entsteht eine neuartige Sandwichkonstruktion, die nicht nur eine Lösung für die Entwicklung neuer leichter Strukturen ist, sondern auch für Umweltprobleme. Diese Idee wurde in dieser Arbeit durch theoretische und experimentelle Untersuchungen an Textilbeton-EPC-Sandwichbalken umgesetzt. Zunächst wurden Materialuntersuchungen an EPC durchgeführt, um nachzuweisen, dass es möglich ist, EPC mit einer Dichte von rund 950 kg/m³ mit recyceltem EPS herzustellen. Für die anschließenden Untersuchungen an 18 Sandwichbalken wurde dann ein EPC mit einer Dichte von 920 kg/m³ und einer Druckfestigkeit von 5,2 N/mm² ausgewählt. In 6 Serien von Sandwichbalken wurden 4-Punkt-Biegeversuche mit Schubschlankheiten von 1,5 bis 5,2 durchgeführt. Die Bruchmomente aller Balken waren geringer als die rechnerische Momententragfähigkeit des Querschnitts und die Tragfähigkeit war stark von der Schubschlankheit abhängig. Es wurden Berechnungen zur Schubtragfähigkeit nach den verschiedenen internationalen Normen durchgeführt. Aufgrund ihrer allgemeingültigen Form ergaben ACI 318-05 und EC2 sehr konservative Ergebnisse für Schubschlankheiten kleiner als 5,2. Die Formulierung des CEB-FIB Model Code 1990 war besser geeignet, die Abhängigkeit der Schubtragfähigkeit von der Schubschlankheit abzubilden. Für die Balken mit Schubschlankheiten a/d=1,5 bis 2,1 brachten Stabwerkmodelle ausreichend gute Ergebnisse. In Fällen mit a/d>2,1 ergab das Modell von Zink die besten Übereinstimmungen. Um die Abhängigkeit der Schubtragfähigkeit von der Schubschlankheit besser erfassen zu können, wurde eine neue Berechnungsgleichung für Textilbeton-EPC-Balken vorgeschlagen. Um das Last-Verformungsverhalten der experimentellen Untersuchungen beschreiben zu können, wurden FEM-Modelle mit der Software ATENA entwickelt. Es wurden verschiedene Modelle untersucht, die den Verbund zwischen dem textilen Gelege und dem Feinbeton unterschiedlich stark berücksichtigten. Die Tragfähigkeit der untersuchten Balken wurde mit den FEM-Modellen um ca. 26% bis 28% unterschätzt. Die Abweichungen in den berechneten Durchbiegungen betrugen für die Balken mit a/d>2,5 ca. 22% bis 23%. Abschließend wurde ein Ingenieurmodell auf Grundlage der Sandwichtheorie entwickelt, mit dem das Last-Verformungsverhalten dieser Sandwichkonstruktion gut beschrieben werden kann. Mit dem Modell ergaben sich Abweichungen von -24% bis +12% zwischen experimentellen und theoretisch ermittelten Verformungen. Die Tragfähigkeit wurde mit einer Abweichung von 15% bis 34% unterschätzt.

Der komplexe Verarbeitungsprozess endlosfaserverstärkter Textilthermoplaste beeinflusst maßgeblich die resultierende textile Struktur und damit im gleichen Maße die strukturellen Eigenschaften des Verbundes. Zur vollständigen Ausschöpfung des vielversprechenden Potentials dieser innovativen Werkstoffgruppe ist es daher notwendig, die Fertigungssimulation in den Entwicklungsprozess zu integrieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine qualitative als auch quantitative Beschreibung der komplexen Deformationsphänomenologie von Textilthermoplasten beim Thermoformen vorgenommen, wobei die eingehende Analyse der lokalen Textilthermoplaststruktur und -verformung fokussiert wird. Auf Grundlage eines umfangreichen experimentellen Prüfprogramm wird abschließend zur modellbasierten Beschreibung der Deformationsvorgänge ein neuartiges Multi-Skalen-Modell entwickelt, mit dem sich die auftretende Phänomenologie virtuell wiedergeben lässt.

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.

Mit multiaxialen Gelegen auf Basis der Kettenwirktechnik stehen hervorragende textile Halbzeuge für die Weiterverarbeitung als Verstärkungskomponente in Faser-Kunststoff-Verbunden zur Verfügung. Die bisherige Konfiguration der für die Herstellung dieser Textilien verwendeten Nähwirkmaschinen führt verfahrensbedingt zu einem unsymmetrischen Produktaufbau mit üblicherweise nur einer Fadenlage in Gelegelängsrichtung und ebenso zu Einschränkungen bei der Anordnung des Bindefadens im Textil. Durch die Erweiterung des Nähwirkprozesses wird es möglich, Nähwirkstoffe mit einer beliebigen Abfolge der Einzellagen herzustellen, zum Beispiel in symmetrischer Anordnung. Die neuen Varianten der Lagenanordnung und der Bindungskonstruktion bilden den Ausgangspunkt für die Produktentwicklung am Beispiel zweier Anwendungen aus den Bereichen der Faser-Kunststoff-Verbunde und des textilbewehrten Betons. Hier wird deutlich, dass über die Herstellung symmetrischer Gelege hinaus der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses die Eigenschaften der Gelege und der Endprodukte vorteilhaft beeinflussen kann. Aus den untersuchten Beispielen und grundsätzlichen Betrachtungen leitet sich ab, unter welchen maschinentechnischen Voraussetzungen der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses sinnvoll ist. Es wird ein Konzept entwickelt, auf dessen Grundlage Nähwirkstoffe mit variabler Lagenanordnung auf Nähwirkmaschinen gefertigt werden können. / Multiaxial multi-ply fabrics made by warp knitting are excellently suited for the application in fiber reinforced composites. The usual configuration of the stitch-bonding machines, which are used to produce these fabrics, necessarily leads to composite laminates with an asymmetric layer arrangement and only one layer of yarns in the zero degree direction of the fabric. The variability of patterning with the binding yarn is also limited. By completing the stitch-bonding process with an additional work step it is possible to produce stitch-bonded fabrics without any restrictions concerning the arrangement of the individual layers in the fabric, for example with a symmetric composition. This is the basis for the development of two exemplary products in the fields of textile reinforced plastics and textile reinforced concrete. It can be shown that the application of the extended stitch-bonding process is advantageous beyond the layer arrangement, positively affecting the mechanical properties of the fabric and the composite. From these examples, conclusions are drawn regarding the configuration of future stitch-bonding machines.

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.

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.

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.

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.

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.