Materialeffiziente Verankerungen und Übergreifungen von Gelegen aus Rovings hoher Feinheiten
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Materialeffiziente und praxisgerechte Gestaltung von Verankerungen und Übergreifungen von Textilbetonbewehrungen aus Rovings hoher Feinheiten | Material-efficient and practice-orientated design of anchorage and overlapping areas for carbon fibre heavy tows (CFHT) textile reinforcements Förderer | Funding Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) Zeitraum | Period 01.2015 – 11.2018 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter*in | Contributors Dr.-Ing. Kerstin Speck Dipl.-Ing. (FH) Franz Bracklow Projektpartner | Project Partners Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), TU Dresden |
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
GESCHWUNGEN VERANKERT
Übergreifungsstoß in der Verstärkungsschicht
Carbonbewehrungen erfreuen sich sowohl in der Bauwerksertüchtigung als auch im Neubau zunehmender Beliebtheit. Der Einsatz von Garnen mit über 50.000 Filamenten pro Roving und Feinheiten bis zu 3.300 tex, sogenannte heavy tows, ermöglicht eine größere zulässige Beanspruchung und steigert damit die Leistungsfähigkeit der textilen Bewehrungsstruktur. Jedoch führen große Garnzugkräfte bei nahezu gleichbleibender Rovingoberfläche zur Verlängerung der erforderlichen Endverankerungs- und Übergreifungsbereiche. Eine modifizierte schlaufenförmige Garnanordnung am Gelegerand gewährleistet die Kraftübertragung über kürzere Bereiche und ermöglicht die wirtschaftliche Ausführung des Gesamtsystems.
Versuchsaufbau der Plattenprüfung unter Einheitstemperaturkurve
Auf Grundlage verschiedenster Untersuchungen am Institut für Massivbau (IMB) zu Anordnung, Form und Ausrundungsradien konnte durch den Projektpartner Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ein solches Textil mit schlaufenförmigen Verankerungen in Schussrichtung maschinell gefertigt werden. Weitere Untersuchungen, darunter zahlreiche Dehnkörperversuche, wurden durch das IMB durchgeführt. Neben dem qualitativen Vergleich, unter anderem mit geraden Übergreifungen und durchgängigen Bewehrungsstrukturen, wurden dabei auch das Verhalten unter Dauerstand- und Temperaturbeanspruchung untersucht. Die finale Validierung der Funktionsfähigkeit des entwickelten Textils erfolgte mittels Großbauteilversuchen unter Brandbelastung. Hierzu wurden drei schwach bewehrte Stahlbetonplatten (1,80 x 0,60 x 0,10 m) mit einer 1 cm starken und sich in Feldmitte schlaufenförmig übergreifenden Verstärkungsschicht hergestellt.
In Vorbereitung der Brandversuche erfolgte die Ermittlung der maximalen Tragfähigkeit im Vierpunkt-Biegeversuch am Otto-Mohr-Laboratorium. Hier trat ein Biegeversagen außerhalb der textilen Übergreifung auf. Das dabei erzielte Lastniveau entsprach näherungsweise der rechnerischen Tragfähigkeit einer vergleichbaren Platte mit durchgängiger Textilbewehrung. Auf Grundlage dieses Referenzversuches wurde ein fiktives Gebrauchslastniveau für die Biegeversuche unter Einheitstemperaturkurve an der Materialforschungs- und Prüfungsanstalt für das Bauwesen Leipzig gewählt. Beide Platten konnten dabei den Brandbelastungen über 60 bzw. 90 min ohne Tragfähigkeitsverlust standhalten. Dem Übergreifungsstoß und damit auch der schlaufenförmigen Verankerung kann damit eine gute Funktionsfähigkeit attestiert werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
MASCHINELL HERGESTELLTES SCHLAUFENTEXTIL
Maschinelle Herstellung der Schlaufen in Schussrichtung
Die Leistungsfähigkeit von Carbonbeton wird durch den Einsatz von Garnen mit größeren Garnquerschnittsflächen, den Carbon Fiber Heavy Tows (CFHT) mit Feinheiten von mehreren Tausend tex, deutlich gesteigert. Beim Ersetzen von mehreren Lagen eines Textilgeleges mit geringeren Feinheiten durch eine Lage CFHT gleicher Tragfähigkeit lassen sich die Herstellungskosten verringern und der Aufwand bei der Verarbeitung auf der Baustelle wird reduziert. Die Erhöhung der Anzahl der Filamente in einem Garn führt jedoch zur Verringerung des Verhältnisses von Oberfläche zu Querschnittsfläche bei gleichzeitiger Steigerung der übertragbaren Garnzugkraft. Dies bedingt größere erforderliche Endverankerungs- und Übergreifungs-längen. Eine mechanische Verankerung der zugbeanspruchten Garne über Formschluss soll eine effizientere Kraftübertragung ermöglichen.
Daher sollen formschlüssige Verankerungselemente durch eine modifizierte Garnanordnung am Gelegerand direkt in die Herstellung der Textilien integriert werden. Ein Ansatz war das Umschlagen des kompletten Textilrandes. Diese Methode ist in Kett- und Schussrichtung denkbar und variabel anpassbar auf der Baustelle möglich. Aufgrund der Steifigkeit des Textils muss dieses ungetränkt umgeschlagen und anschließend händisch getränkt werden. Die verankerbare Kraft konnte mit diesem Verfahren gegenüber geraden Fadenenden verdoppelt werden, allerdings konnte aufgrund der händischen Tränkung nicht die volle Längskrafttragfähigkeit der Carbonfäden aktiviert werden.
Eine vielversprechendere Lösung sind dagegen Verankerungsschlaufen in Schuss-richtung (Querrichtung) eines Textils, die bereits in den textilen Herstellungs-prozess integriert werden. In Vorversuchen mit händisch gefertigten Textilien hat sich ein Schlaufendurchmesser als optimal herausgestellt, der dem Dreifachen des Garnab-stands entspricht. Bei der Übertragung in den textilen Herstellungsprozess lag die Herausforderung in der Ausbildung und Tränkung formtreuer Schlaufen, da sich herkömmliche maschinelle Herstellungs- und Tränkungsmaßnahmen als ungeeignet erwiesen. Nach einem Optimierungsprozess stehen jetzt maschinell gefertigte Textilien für die abschließenden Dauerstandund Hochtemperaturversuche zur Verfügung.
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
CFHT kurz und knapp verankert
Schlaufen mit dreifachem Garnabstand als Umlenkdurchmesser
Textilgelege sind moderne und etablierte Bewehrungsmaterialien, die sowohl zur Verstärkung von Bauelementen im Bestand als auch zur Anwendung in Neubauteilen geeignet sind. Die Leistungsfähigkeit von Textilbewehrungen wird durch den Einsatz von Garnen mit hoher Feinheit verbessert. Die deutlich größere Garnquerschnittsfläche von Carbon Fiber Heavy Tows (CFHT) der Feinheit 3300 tex ermöglicht eine Übertragung höherer Zugkräfte pro Bewehrungslage im Vergleich zu Carbongarnen geringerer Feinheit. Beim Ersetzen von mehreren Lagen eines Textilgeleges mit geringen Feinheiten durch eine Lage CFHT gleicher Tragfähigkeit lassen sich die Herstellungskosten verringern und der Aufwand bei der Verarbeitung auf der Baustelle reduzieren.
Die Verwendung von CFHT ist jedoch im Hinblick auf deren Verbundeigenschaften eingeschränkt. Die Erhöhung der Anzahl der Filamente in einem Garn führt zur Verringerung des Verhältnisses von Oberfläche zu Querschnittsfläche bei gleichzeitiger Steigerung der übertragbaren Garnzugkraft. Dies bedingt größere erforderliche Endverankerungs- und Übergreifungslängen. Aus ökonomischen Gründen und geometrischen Randbedingungen wird jedoch angestrebt, die Stöße möglichst kurz auszuführen.
Daher sollen die Verankerungs- und Übergreifungsbereiche einer neuen Generation von Textilbetonbewehrungen bereits im textilen Herstellungsprozess so ausgebildet werden, dass formschlüssige Verankerungselemente durch eine modifizierte Garnanordnung am Gelegerand direkt in diese integriert sein werden. Eine vielversprechende Lösung sind hier Verankerungsschlaufen in Schussrichtung (Querrichtung eines Textils), die eine Kraftübertragung durch mechanische Verankerung der zugbeanspruchten Garne über Formschluss ermöglichen.
Dabei ist zu beachten, dass Carbonfasern sehr querdruckempfindlich sind und deshalb die Umlenkradien der Schlaufen nicht zu gering gewählt werden dürfen. Andererseits steigt mit der Größe der Schlaufen die geometrisch erforderliche Zahl an Kreuzungspunkten von Garnen, welche wiederum Schwachpunkte in der Betonmatrix darstellen. Als optimal hat sich ein Durchmesser herausgestellt, der dem Zwei- oder Dreifachen des Garnabstands entspricht. Mit derartigen Schlaufen kann schon mit Verankerungs- und Übergreifungslängen im Bereich von 5 bis 10 cm die volle Garnkraft verankert bzw. ein Vollstoß der Bewehrungslagen realisiert werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2015
Schlaufenverankerung für Carbongelege
Probekörper nach dem Endverankerungsversuch
Textile Strukturen in Form von gitterförmigen Multiaxialgelegen sind sehr leistungsfähige und effiziente Bewehrungen für Betonkonstruktionen. Heute werden vorzugsweise Bewehrungsgitter aus Carbonfilamentgarnen eingesetzt, die extrem hohe Festigkeiten aufweisen – etwa das Vierfache gegenüber konventionellem Betonstahl – und dabei nur etwa ein Viertel so schwer sind.
Eine Schlüsselrolle für hoch effektive Textilbewehrungen kommt Rovings mit hohen Feinheiten, den sogenannten Carbon Fiber Heavy Tows (CFHT), zu, die aus 50.000 Einzelfilamenten bestehen und eine Garnfeinheit von 3.300 tex aufweisen. Derzeit gibt es jedoch noch Einschränkungen bei der Verwendung von CFHT hinsichtlich der relativ geringen übertragbaren Verbundkräfte und den daraus resultierenden sehr großen erforderlichen Endverankerungs- und Übergreifungslängen, über welche die Kräfte zwischen Beton und textiler Bewehrung übertragen werden. Das primäre Ziel dieses Projektes ist es deshalb, diese derzeit deutlich zu hohen Verankerungslängen durch neuartige Technologien signifikant zu verkürzen, wobei eine Größenordnung von weniger als 20 cm zur sicheren Übertragung der Verbundkräfte angestrebt wird.
In einer neuen Generation von Textilbetonbewehrungen sollen die Verankerungs- und Übergreifungsbereiche der textilen Warenbahnen bereits im textilen Herstellungsprozess so ausgebildet werden, dass die benötigten Verankerungselemente durch eine modifizierte Garnanordnung am Gelegerand direkt in dieses integriert sein werden. Eine vielversprechende Lösung sind hier Verankerungsschlaufen in Schussrichtung (Querrichtung eines Textils), die eine auf Formschluss beruhende Kraftübertragung durch mechanische Verankerung der zugbeanspruchten Garne ermöglichen.
Im Rahmen des Projektes wurden im ersten Schritt Carbonschlaufen mit einem Ausrundungsdurchmesser von 30 mm in die Betonprobekörper eingebaut und in Endverankerungsversuchen getestet. Die zur Verankerung der Zugkraft erforderliche Länge hat sich mit Hilfe der Schlaufen auf 50 mm reduzieren lassen. In der nächsten Projektphase wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Übergreifungsbereiche geprüft. Danach wird die Lösung an großformatigen Textilbetonprobekörpern unter Kurz- und Dauerbelastung sowie unter thermischen Beanspruchungen weiter getestet.