Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zugl.: Paderborn, Univ., Diss. H. C. Schmale, 2008

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

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

Die Methode der Böschungsertüchtigung mit Erdbetonstützscheiben ist ein etabliertes Verfahren. In der Vergangenheit entwickelte Bemessungsverfahren für Böschungen mit Stützscheiben konnten sich bis heute nicht durchsetzen. Stattdessen behilft man sich in der Praxis mit einer Art Ersatzverfahren. Mit diesem Verfahren wird die Standsicherheit der Böschung mit Stützscheiben teilweise unzutreffend ermittelt. Dies wird in der Arbeit begründet und anhand von Beispielen verifiziert. Die Tragwirkung der Stützscheiben kann nur durch räumliche numerische Berechnungen ausreichend genau erfasst werden. Es wird eine zwingend erforderliche Typisierung der Stützscheiben bezüglich ihres Tragverhaltens und des Bruchmechanismus durchgeführt. Die erreichbare Stabilisierungswirkung der Stützscheiben hängt wesentlich von der Scheibengeometrie und dem Scheibenabstand ab. In der Arbeit werden für einen Scheibentypen der Versagensmechanismus, das Tragverhalten sowie deren Einflüsse ausführlich analysiert und anschließend ein Bemessungsverfahren hergeleitet. Für weitere Scheibentypen werden Vorschläge für mögliche Bemessungsverfahren angegeben.

Die Arbeit stützt sich überwiegend auf die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen. Einaxiale Zugversuche an scheibenförmigen Probekörpern bildeten die Basis für die Beschreibung des Tragverhaltens in Form von Spannungs-Dehnungs-Linien. Da die Durchführung von Zugversuchen bekanntlich nicht ganz problemlos ist, wird der Versuchsaufbau besonders sorgfältig dargestellt. Mängel und deren Auswirkung auf die Versuchsergebnisse werden ausführlich diskutiert. Für die Beurteilung der Verbundeigenschaften der Bewehrung ist der Umfang der Kontaktfläche mit der Matrix ein wichtiger Parameter. Es wurde ein Verfahren für die Ermittlung dieser und anderer geometrischen Eigenschaften der Bewehrung entwickelt. Elektronische Aufnahmen von klassischen Dünnschliffen werden dazu mit einem digitalen Bildauswerteprogramm analysiert. Die Berücksichtigung einer Vielzahl von Einflüssen ermöglicht erstmals die reproduzierbare Bestimmung des Umfanges der Kontaktfläche zwischen den Fasern und der Matrix sowie die Querschnittsfläche der Faserbündel in der Matrix ohne subjektive Einflüsse. Das Tragverhalten von unidirektionalen und textilen Bewehrungen aus AR-Glas Filamentgarnen wird mit experimentellen Methoden untersucht. Die Basis bilden in einaxialen Zugversuchen an Dehnkörpern aufgenommene Spannungs-Dehnungs-Linien. Schon bei einer Bewehrung aus unidirektionalen Multifilamentgarnen treten Phänomene auf, die von Bewehrungen aus kompakten, homogenen Querschnitten (Stäben oder Drähten) nicht bekannt sind. Die Multifilamentgarne können selbst schon als Verbundwerkstoff bezeichnet werden, dessen Eigenschaften in einem großen Wertebereich variieren. Mit der textilen Verarbeitung von Multifilamentgarnen werden die (Verbund¬¬-)Eigenschaften entscheidend verändert. Ganz wesentlich ist das Hinzufügen von weiteren Faserscharen und den für die Herstellung der Textilien notwendigen Nähgarnen. Durch die Verarbeitung ändern sich auch Form und Packungsdichte der Multifilamentgarne. Das Zusammenspiel all dieser Einflüsse und die Variationsmöglichkeiten bei der Kombination aller Parameter führen zu einem teilweise deutlich verändertem Tragverhalten des textilbewehrten Betons gegenüber unidirektional bewehrtem Beton. Auf der Basis einfach handhabbarer Modelle wird versucht, Charakteristika des Tragverhaltens zu erklären. Beim textilbewehrten Beton ist jedoch oft kein eindeutiger Zusammenhang erkennbar, weil sich mehrere Einflüsse überlagern. Trotzdem ist es gelungen, zahlreiche, für den textilbewehrten Beton typische Besonderheiten aufzuzeigen und deren Ursachen zu klären. Den Abschluss bilden Überlegungen zur Optimierung der textilen Bewehrungen, die sich aus den beobachteten Phänomenen und deren Ursachen ableiten. / This thesis is mainly based on results of experimental methods. Uniaxial tension tests on strain specimens provide a basis for a description of the load bearing behaviour in the form of stress-strain-curves. It is well known, that the accomplishment of tension tests causes several problems. Therefore the test set-up is described in detail. Deficiencies and their impact on test results are discussed extensively. For the assessment of bond properties the perimeter of the contact area between fibres and matrix is a crucial parameter. A new procedure has been developed for estimating this and other geometrical properties of the reinforcement. Digital images of traditional thin section petrography are analysed with digital image analysis software. The consideration of a multitude of influences enables a reproducible determination of the perimeter of the contact area between fibres and matrix as well as the cross sectional area of the fibre bundles for the first time without subjective influences. The load bearing behaviour of unidirectional fabric reinforcement made from AR-glass filament yarns is examined with experimental methods. Stress-strain-curves from uniaxial tension tests on strain specimen provide a basis. Reinforcements of unidirectional multi filament yarns show already phenomenon?s that are not known from reinforcements with compact homogeneous cross sections (bars or wires). Multi filament yarns could be indicated as an composite material itself whose properties vary in a wide range. During fabric production with textile technologies the (bond-)properties are subject to crucial changes. The adding of extra layers of yarns and needle thread required for connecting these layers are of vital importance. Textile processing changes shape and packing density of the multi filament yarns. The interaction of all these influences and the possible range of combining all parameters lead to pronounced changes in the mechanical properties of textile reinforced concrete also compared to unidirectional fibre reinforcement. Using simple to handle models this work attempts to explain characteristics of the mechanical behaviour. However, for textile reinforced concrete there is often not a clear connection visible. Although numerous typical characteristics of textile reinforced concrete and their causes has been identified. Finally some considerations for optimising fabric reinforcements are given, which has been derived from observed phenomenons and their causes.

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.

Doppelt gekrümmte Schalen und Gitterschalen sind Tragsysteme, die, obwohl in Ihrer Wirkungsweise grundsätzlich verschieden, besonders für den Einsatz von Textilbeton geeignet sind. Aufgrund ihrer doppelten Krümmung weisen derartige Tragsysteme zahlreiche Besonderheiten hinsichtlich Formfindung, Lastabtrag und Herstellung auf. Anhand eines Ausführungsbeispiels von monolithischen Schirmschalen und Konstruktionsstudien zu Gitterschalen werden die Strukturkonzepte und ihre Auswirkungen auf das Tragverhalten, das Bewehrungskonzept und die Auswirkungen auf die Herstellung sowie die Bauteilfügung erläutert. / Structural systems based on double curved monolithic shells or gridshells are both characterised by their good load bearing behaviour depending on the chosen geometry. Although both systems are different regarding their functionality they are suitable applications for TRC while taking advantage of the main constructive and design characteristics of the material. In describing an execution example of an umbrella-shaped shell-structure and design studies on gridshells the relation between structural concept and load bearing behaviour and the relation between the reinforcement concept and production as well as joining are discussed.

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.

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.