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.

Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2009.

Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Die Dissertation widmet sich dem Schneiden von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einem Laserstrahl. Herausforderung ist dabei der thermisch und optisch inhomogene Aufbau dieser Werkstoffklasse. Die Untersuchungen erfolgten an technisch relevanten Werkstoffen, basierend auf Glasfasern und thermoplastischer Matrix sowie Kohlenstofffasern mit duroplastischer Matrix. Eine grundlegende Betrachtung zur Werkstoff-Laserstrahl-Wechselwirkung zeigte zunächst den Einfluss der jeweiligen Einzelwerkstoffe und deren Mischungsverhältnis auf die absorbierten Anteile von einfallender Laserstrahlung mit den Wellenlängen λ = 1,07 µm und λ = 10,6 µm. Besondere Beachtung wurde dem Ansatz der simultanen Bearbeitung der Werkstoffe mit Laserstrahlung beider Wellenlängen gewidmet. Zielstellung war, bei gleichen optischen Randbedingungen die gute Fokussierbarkeit der Strahlung mit der Wellenlänge λ = 1,07 µm auszunutzen, um hohe Intensitäten auf dem Werkstoff zu erzeugen. Gleichzeitig sollte die Strahlung mit der Wellenlänge λ = 10,6 µm genutzt werden, um hohe absorbierte Anteile der einfallenden Laserstrahlung, vorranging im Matrixwerkstoff zu erhalten. Bei Verwendung eines Remote-Bearbeitungssystems können die Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahlung und Werkstoff minimiert und so hohe Vorschubgeschwindigkeiten erzeugt werden. Mit dem Mischungsverhältnis der Laserleistungen der jeweiligen Strahlquellenanteile steht dem zukünftigen Anwender ein neuartiger Freiheitsgrad zur Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde der Einfluss dieses Parameters auf die Schneidbarkeit der Werkstoffe dargestellt. Der Endanwender erhält so eine grundlegende Orientierung zum Schneidverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge sowie der Schnittorientierung gegenüber der Faserorientierung der Werkstoffe.

Die Dissertationsschrift beschreibt die Entwicklung eines Deckensystems im HBV für Anwendungen im Neubau. Dabei werden sowohl die Mechanik für den eigentlichen Verbund zwischen den Baustoffen als auch der Verbundquerschnitt des Deckenbauteils mit seinen Materialien und Dimensionen entworfen. Die Ausgestaltung des Deckensystems mit den wichtigsten Details wird theoretisch und versuchstechnisch begründet. Die Ergebnisse bauakustischer Untersuchungen an verschiedenen Deckenbauteilen, die Resultate von Scherversuchen mit unterschiedlichen Ausprägungen der Verbinder und die eines Biegeversuchs mit einem Deckenelement in den originalen Dimensionen fließen in die Überlegungen ein. Ein wichtiges Ergebnis der Arbeit ist die Anwendung des Systems in einem Pilotprojekt. Für die Standsicherheitsnachweise dieses Deckensystems auf der normativen Grundlage des Eurocode 5 werden teilweise vom Regelwerk abweichende Ansätze begründet. Außerdem wird dieses System in wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht bewertet.:Abbildungsverzeichnis 4 Tabellenverzeichnis 6 Formelverzeichnis 7 1 Einleitung und Gliederung der Arbeit 8 2 Gründe für die Entstehung und Entwicklung der Bauweise 10 3 Wirkungsweise 12 3.1 Tragverhalten 12 3.2 Modellbildung als Grundlage des Bemessungsverfahrens nach Eurocode 5 13 4 Systematik der HBV-Technologie 16 4.1 Ansatz der Gliederung 16 4.2 Verbindungssysteme 18 4.2.1 Vorbemerkungen 18 4.2.2 Stiftförmige Verbinder 19 4.2.3 Formschluss 19 4.2.4 Spezialformteile 19 5 Stand der Technik 21 5.1 Baurechtliche Einordnung der Bauweise in Deutschland 21 5.2 Forschungs- und Entwicklungsstand 21 5.3 Ausgewählte Anwendungsbeispiele 22 5.3.1 Sanierung von Holzbalkendecken 22 5.3.2 Neubau von Geschossdecken 23 5.3.3 Brückenbau 25 6 Entwurfskriterien für die Hybrid.Decke 26 6.1 Vorbemerkungen 26 6.2 Funktionale Anforderungen 28 6.2.1 Anforderungen für Nachweise im GZT 28 6.2.2 Anforderungen für Nachweise im GZG 29 6.2.3 Anforderungen an das Brandverhalten 30 6.2.4 Anforderungen an den Schallschutz 31 6.3 Technologische Anforderungen 32 6.4 Wirtschaftliche Anforderungen 34 6.5 Anforderungen an die Umweltverträglichkeit 35 6.6 Vorentwurf des Systems 35 7 Experimentelle Untersuchungen zur Entwicklung der Hybrid.Decke 37 7.1 Vorbemerkungen 37 7.2 Versuche zur Bauakustik 37 7.2.1 Vorbemerkungen 37 7.2.2 Orientierende Versuche im Prüfstand 38 7.2.3 In-situ-Versuche im Pilotprojekt 44 7.3 Scherversuche 46 7.3.1 Ziele der Versuche 46 7.3.2 Versuchsdurchführung 47 7.3.3 Ausgewählte Versuchsergebnisse 51 7.3.4 Modellbildung auf der Grundlage der Scherversuche 58 7.3.5 Festlegungen zur Ausführung der Verbinder als Ergebnis der Scherversuche 60 7.4 Biegeversuch 61 7.4.1 Ziele des Versuchs 61 7.4.2 Versuchsdurchführung 61 7.4.3 Versuchsergebnisse des Biegeversuchs 64 7.4.4 Versuchsergebnisse der Eigenfrequenzmessung 72 7.4.5 Modellbildung auf der Grundlage des Biegeversuches 72 8 Rechnerische Nachweisführung für die Hybrid.Decke 75 8.1 Nachweise im GZT 76 8.1.1 Festigkeitsnachweise 76 8.1.2 Tragfähigkeitsnachweis der Verbindungsmittel 77 8.2 Nachweise im GZG 78 8.2.1 Nachweis des Verformungsverhaltens 78 8.2.2 Nachweis des Schwingungsverhaltens 78 8.3 Nachweis der Feuerwiderstandsdauer 79 8.4 Berechnungsergebnisse der Nachweise 80 9 Wirtschaftliche Bewertung der Hybrid.Decke 82 9.1 Vorbemerkungen 82 9.2 Definition der zu vergleichenden Deckensysteme 82 9.3 Kostenstruktur der Deckensysteme 83 10 Ökologische Bewertung der Hybrid.Decke 85 10.1 Vorbemerkungen 85 10.2 Diskussion der ökologischen Bewertungskriterien 85 10.3 Darstellung der Umweltindikatoren im Vergleich 86 11 Konstruktive Hinweise für typische Anwendungen der Hybrid.Decke 88 11.1 Einwirkungen infolge unterschiedlichen Schwindverhaltens 88 11.2 Quertragwirkung 89 11.3 Ausführung des Obergurts als Ortbetonplatte 91 11.4 Feuchteschutz des Holzes 91 11.5 Negative Momentenbeanspruchung 93 12 Anwendungsbeispiel für das Deckensystem 95 13 Zusammenfassung und Ausblick 96 14 Literaturverzeichnis 98 Anhang – Berechnungsbeispiel 106

Im Juli 2021 wurde der Westen Deutschlands von einem Extremwetterereignis besonderen Ausmaßes getroffen. Das Sturmtief 'Bernd' brachte einen Starkregen, der mehrere Tage andauerte und in der Nacht vom 14. auf den 15. Juli zu einem sturzflutartigen Hochwasser im Ahrtal sowie in weiteren Regionen von Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz führte. Die Katastrophe kostete zahlreiche Menschenleben und löste in Deutschland und den angrenzenden Nachbarländern eine enorme Anteilnahme und Hilfsbereitschaft aus. Die Infrastruktur wurde weitreichend zerstört, die Schäden an den Verkehrswegen stellten sowohl für die Anwohner als auch für die Hilfs- und Rettungskräfte ein großes Problem dar. Rund zwei Drittel der 112 Brücken im betroffenen Gebiet waren vollständig zerstört. Weitere Bauwerke konnten erst nach statischen Überprüfungen und Sanierungsmaßnahmen wieder für den Verkehr freigegeben werden. Dadurch verlängerten sich die Wegstrecken erheblich.

In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden. Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Anforderung an Material und Prozess 1.3 Vorgehensweise und Methodik 2 Grundlagen 2.1 Faserverbundwerkstoffe im Automobil 2.2 Metall-Faserverbund-Hybridbauweisen: Stand der Technik 2.3 Verwendete Werkstoffe und Halbzeuge 2.4 Literaturüberblick 3 Materialspezifikation und Herstellungsprozess 3.1 Probekörper, Fertigungsvorrichtungen und Prüfmethoden 3.2 Bewertung ausgewählter Prepregs und Auswahl einer Vorzugsvariante 3.3 Ermittlung von Fertigungsparametern zur Erzeugung einer ausreichenden Laminatqualität 3.4 Haftfestigkeit hybrider Verbunde in Abhängigkeit der Fertigungsparameter 3.5 Bewertung des Einflusses eines zusätzlichen Klebstoffs 3.6 Potenzialbewertung von Metall-Faserverbund-Hybridbauteilen 3.7 Bewertung der Lagenanzahl der Faserverbundverstärkung 4 Modellbildung und Struktursimulation 4.1 Strukturanalyse des Faserverbundmaterials 4.2 Strukturanalyse der Grenzschicht zwischen Metall und Faserverbund 4.3 Strukturanalyse des Hutprofils im 3-Punkt-Biegeversuch 5 Modellbildung und Prozesssimulation 5.1 Mathematische Beschreibung der Reaktivität der Matrix 5.2 Thermo-chemische Kopplung der Materialkennwerte 5.3 Thermo-chemo-mechanische Kopplung der Materialkennwerte 5.4 Simulation des Herstellungsprozesses der Faserverbundplatte 5.5 Simulation des Herstellungsprozesses des Metall-Kunststoff-Hybrid-Streifenprobekörpers 5.6 Sensitivitätsanalyse der Materialkennwerte 5.7 Simulation des Herstellungsprozesses des hybriden Hutprofils 6 Ergänzende Bewertung automobilspezifischer Einflüsse 6.1 Prüftemperatur 6.2 Belastungsgeschwindigkeit 6.3 Klimawechsel und Korrosion 7 Robotergestützter Applikationsprozess 7.1 Konzeptionierung, Aufbau und Inbetriebnahme des Fertigungsprozesses 7.2 Prüfung der hybriden Hutprofile, hergestellt im robotergestützten Applikationsprozess 7.3 Ermittlung der Zykluszeit und Abschätzung für den Serienprozess 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Grundlagen B Materialspezifikation und Herstellungsprozess C Modellbildung und Struktursimulation D Prozessmodellierung und Simulation E Bewertung automobilrelevanter Einflüsse