Promotion Kai Zernsdorf

Am 18.08.2025 verteidigte Herr Kai Zernsdorf, M.Sc., erfolgreich seine wissenschaftliche Arbeit im Rahmen des Promotionsverfahrens 👨‍🎓 mit dem Thema „Numerische Modellierung des Tragverhaltens mineralisch gebundener Carbonfaserbewehrung“. Neben dem Vorsitzenden der Promotionskommission, Prof. Dr. Ivo Herle (TU Dresden), waren als Gutachter Herr Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. em. Manfred Curbach (TU Dresden), Prof. Dr. Thomas Bösche (Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTW)) und Prof. Dr. Klaus Holschemacher (HTWK Leipzig) anwesend. Als weiteres Mitglied der Promotionskommission war Prof. Dr. Holger Flederer (Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTW)) anwesend.

Abstract:

Die mineralisch gebundene Carbonfaser-(MCF)-Bewehrung ist ein neuartiger Verbundwerkstoff, der aus einer Vielzahl unidirektional ausgerichteter Carbonfilamente besteht, die durch einen Pultrusionsprozess zu Bewehrungsstäben verarbeitet werden. Die Filamente werden kraftschlüssig mit mineralischen Tränkungsmatrices verbunden und in speziell entwickelte Feinbetonmatrices eingebettet, wodurch hochtragfähige, temperaturbeständige Carbonbetonstrukturen entstehen.

Die optimale Nutzung dieses Materials setzt eine detaillierte Charakterisierung seines linearen und nicht-linearen Verhaltens sowie eine präzise Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Bewehrung und Feinbetonmatrix voraus. In dieser Arbeit wird ein Mehrskalenmodell auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) vorgestellt, mit dem das Tragverhalten, die Verformung und die Rissbildung von MCF-bewehrten Betonstrukturen simuliert werden kann.

Auf der Mikroskala wurde ein diskretes Modellierungskonzept unter Verwendung repräsentativer Volumenelemente (RVEs) entwickelt, das die stochastische Filamentverteilung, die anisotrope Schädigungsentwicklung in der mineralischen Matrix sowie die nichtlineare Interaktion zwischen Filamenten und Matrix berücksichtig. Das RVE wurde anhand experimenteller Spannungs-Dehnungs-Daten nach WILHELM [127] kalibriert und validiert. Es ermöglicht die Abbildung schädigungsmechanischer Prozesse in der mineralischen Bewehrung sowie die Quantifizierung ihres Einflusses auf das Tragverhalten der MCF-Bewehrung.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Modellierung des Verbundverhaltens zwischen MCF-Be-wehrung und Beton. Hierbei wird ein analytisches Verbundspannungsmodell entwickelt und mithilfe nichtlinearer Federelemente in das kommerzielle Finite-Elemente-Programm ANSYS implementiert. Die anschließende Validierung erfolgt mithilfe experimenteller Pull-out-Tests.

Auf der Strukturebene wird das Verhalten MCF-bewehrter Betonstrukturen unter Zug- und Biegebeanspruchung simuliert. Dabei wird das validierte Verbundmodell in Kombination mit den ermittelten Eigenschaften der MCF-Bewehrung eingesetzt. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen, das Trag-, Verformungs- und Rissbildungsverhalten von MCF-bewehrten Betonstrukturen künftig realitätsnah zu prognostizieren. Darüber hinaus liefert die Arbeit Ansätze zur Berücksichtigung des nichtlinearen Verbundverhaltens in numerischen Simulationen und bildet damit die Grundlage für die Weiterentwicklung sowie die breite Anwendung dieses innovativen Verbundwerkstoffs.

Lieber Kai, wir wünschen dir viel Erfolg für die weitere wissenschaftliche Karriere und natürlich alles Gute für deine Zukunft! 👍🥳