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.

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.

Durch die beanspruchungsgerechte Anordnung von Fasermaterialien wie Glas oder Carbon mit hervorragenden Trageigenschaften entstehen technische Textilien, die in eine Betonmatrix eingebracht werden können, so daß ein neuer, innovativer Verbundwerkstoff entsteht, der sowohl bei der Herstellung neuer Betonbauteile verwendet werden kann als auch für den Einsatz in der Instandsetzung und Verstärkung bestehender Bauwerke geeignet ist. Da die verwendeten Materialien im Gegensatz zum Stahl nicht korrosionsempfindlich sind und gleichzeitig hohe Festigkeiten aufweisen, können Verstärkungen aus textilbewehrtem Beton mit sehr geringen Abmessungen ausgeführt werden. Bei Holzkonstruktionen können textile Verstärkungen die durch die Anisotropie bedingten Festigkeits- und Steifigkeitsunterschiede kompensieren und die Dauerhaftigkeit erhöhen. Bei Verzicht auf Knotenbleche aus Stahl und durch Applikation von textilen Strukturen können beachtliche Steigerungen der Tragfähigkeit und der Duktilität von Verbindungen erreicht werden. In den fünf Projektbereichen werden in theoretischen und experimentellen Untersuchungen die Grundlagen für die Werkstoffe, die mechanische Beschreibung, die konstruktive Durchbildung und die Bemessung, die technologische Aufbringung, bautechnische Umsetzung und die Langzeiteigenschaften und damit für die Sicherheit und die Lebensdauer bei der Verwendung textiler Bewehrungen für die Instandsetzung und Verstärkung geschaffen. / The stress-oriented arrangement of fibre materials, such as glass or carbon, which have an excellent load-bearing capacity, leads to technical textiles that may be incorporated into a concrete matrix. So a new, innovative composite material is produced, which can be used for the production of new concrete members and also for the restoration and strengthening of existing structures. As the materials used are noncorrosive compared to steel and as they show great strength at the same time, textile-reinforced concrete can be used for strengthening tasks of small dimensions. With regard to timber structures, textile reinforcement can compensate the strength and stiffness differences caused by anisotropy and can increase durability. If textile structures are used instead of steel gussets this may lead to a considerable increase in the ultimate strength and the ductility of joints. The five fields of the project are designed that theoretical and experimental investigations are carried out to provide the fundamentals of the materials. Additionally information will be obtained about the mechanical description, the detailing and the dimensioning, the techniques of applying, the realisation on the site and the long-term behaviour. All leading to a safety concept and also a service life concept for the use of textile reinforcements for restoration and strengthening.

Durch die beanspruchungsgerechte Anordnung von Fasermaterialien wie Glas oder Carbon mit hervorragenden Trageigenschaften entstehen technische Textilien, die in eine Betonmatrix eingebracht werden können, so daß ein neuer, innovativer Verbundwerkstoff entsteht, der sowohl bei der Herstellung neuer Betonbauteile verwendet werden kann als auch für den Einsatz in der Instandsetzung und Verstärkung bestehender Bauwerke geeignet ist. Da die verwendeten Materialien im Gegensatz zum Stahl nicht korrosionsempfindlich sind und gleichzeitig hohe Festigkeiten aufweisen, können Verstärkungen aus textilbewehrtem Beton mit sehr geringen Abmessungen ausgeführt werden. Bei Holzkonstruktionen können textile Verstärkungen die durch die Anisotropie bedingten Festigkeits- und Steifigkeitsunterschiede kompensieren und die Dauerhaftigkeit erhöhen. Bei Verzicht auf Knotenbleche aus Stahl und durch Applikation von textilen Strukturen können beachtliche Steigerungen der Tragfähigkeit und der Duktilität von Verbindungen erreicht werden. In den fünf Projektbereichen werden in theoretischen und experimentellen Untersuchungen die Grundlagen für die Werkstoffe, die mechanische Beschreibung, die konstruktive Durchbildung und die Bemessung, die technologische Aufbringung, bautechnische Umsetzung und die Langzeiteigenschaften und damit für die Sicherheit und die Lebensdauer bei der Verwendung textiler Bewehrungen für die Instandsetzung und Verstärkung geschaffen. / The stress-oriented arrangement of fibre materials, such as glass or carbon, which have an excellent load-bearing capacity, leads to technical textiles that may be incorporated into a concrete matrix. So a new, innovative composite material is produced, which can be used for the production of new concrete members and also for the restoration and strengthening of existing structures. As the materials used are noncorrosive compared to steel and as they show great strength at the same time, textile-reinforced concrete can be used for strengthening tasks of small dimensions. With regard to timber structures, textile reinforcement can compensate the strength and stiffness differences caused by anisotropy and can increase durability. If textile structures are used instead of steel gussets this may lead to a considerable increase in the ultimate strength and the ductility of joints. The five fields of the project are designed that theoretical and experimental investigations are carried out to provide the fundamentals of the materials. Additionally information will be obtained about the mechanical description, the detailing and the dimensioning, the techniques of applying, the realisation on the site and the long-term behaviour. All leading to a safety concept and also a service life concept for the use of textile reinforcements for restoration and strengthening.