Tragverhalten von Textilbeton unter einaxialer Druckbeanspruchung
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
|
Titel | Title |
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
CARBONBETON UNTER DRUCK
Betonage der gering bewehrten Probekörper
Mit fortschreitender Entwicklung und Einführung von Carbonbeton in die Bauwirtschaft wird deutlich, dass allgemeine Normungen von großer Bedeutung sind. Mit einem einheitlichen Regelwerk zu Carbonbeton würden dieser innovative Werkstoff eine noch breitere Aufmerksamkeit erfahren und gleichzeitig finanzielle Hürden für Zulassungen abgebaut werden. Für diesen Schritt muss Carbonbeton allerdings zunächst in allen seinen Facetten untersucht und verstanden werden.
Versuchsstand mit Messvorrichtung
Für Belastungen wie reinen Zug, Biegung, und Torsion gibt es bereits erste Bemessungsmodelle für Neubauten und verstärkte Konstruktionen. Das Verhalten von Carbonbeton unter Druck wurde jedoch erst in den vergangenen Jahren mit Hilfe dieses Projektes eingehend untersucht. Aber auch diese Belastungsart ist wichtig, um das Tragverhalten von Carbonbeton vollständig verstehen zu können. Daher wurde das Versuchsprogramm zur einaxialen Druckbelastung von Carbonbeton gegenüber den Vorjahren nochmals erweitert. Zum Beispiel wurden verschiedene Tränkungsarten betrachtet. Hinzu kam die Untersuchung von kleineren Bewehrungsgehalten bis hin zu nur einem Faserstrang pro 40 × 40 × 40 mm³ Feinbetonprobekörper. Diese Versuche sollten das Versuchsportfolio dahingehen vergrößern, dass ausreichend Daten für die Entwicklung eines Bemessungsmodels zur Verfügung stehen.
Das Versuchsprogramm wurde zudem um numerische Untersuchungen ergänzt, welche zum Ziel hatten, ein besseres Verständnis der Tragmechanismen zu erlangen. Mit einer großen numerischen Parameterstudie konnte der Fluss der Druckspannungen durch die Probekörper und die eingetragenen Querzugspannungen aufgrund der textilen Garne gezeigt und näher betrachtet werden. Diese Erkenntnisse trugen zu einem besseren Verständnis des Tragverhaltens von Carbonbeton bei und bestätigten gleichzeitig die aus den Experimenten gewonnenen Messwerte.
Auf Basis all dieser Daten war es möglich, ein Bemessungsmodel zu entwickeln, in welchem Abminderungsfaktoren für die Druckfestigkeit von carbonbewehrten Beton berücksichtigt werden. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die Garne Störstellen induzieren, welche hauptsächlich für die abgeminderten Druckfestigkeiten verantwortlich sind. Damit sind die ermittelten Abminderungsfaktoren im weitesten Sinne ausschließlich vom Volumengehalt der in den Proben vorhandenen textilen Bewehrung abhängig.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
TEXTILBETON UNTER DRUCK
Bruchbild eines schräg bewehrten Textilbetonwürfels
Mit der fortschreitenden Entwicklung und Verbreitung des innovativen und ressourcensparenden Verbundwerkstoffs Textilbeton (TRC) bzw. Carbonbeton ergeben sich immer neue Anwendungs-gebiete. Damit verbunden ist die Nachfrage nach Bemessungsmodellen oder Materialmodellen für computergestützte Berechnungen und Normung. Grundlage für solche Modelle ist das vollständige Ergründen des Tragverhaltens von Carbonbeton. Für das Verhalten unter Normalkraft-, Biege-, Querkraft- oder Torsionsbeanspruchung sind bereits erste Modelle entwickelt worden. Dahingegen ist über das Tragverhalten von Carbonbeton unter Druckbeanspruchung noch wenig bekannt. Dieses spezifische Materialverhalten ist vor allem für die Bemessung der Druckstreben bei querkraftbeanspruchten Balken, der bewehrten Druckzone im Biegebalken, von Bereichen mit Teilflächenpressung oder von Stützen von Bedeutung.
Um das Verhalten von Carbonbeton unter einaxialem Druck grundlegend untersuchen zu können, wurde eine breite Palette an Versuchen durchgeführt. 40 × 40 × 40 mm³ große unbewehrte und bewehrte Feinbetonwürfel dienten als Versuchskörper. Das aufgestellte Versuchsprogramm umfasste eine breite Palette von Einflussparametern, bei welchen die Ausrichtung der Textilien zur Druckrichtung eine wichtige Rolle spielte. Die Versuche an unbewehrten und bewehrten Proben aus dem Vorjahr, wobei der Fokus auf handlaminierten Proben lag, wurden um gegossene textilbewehrte Proben erweitert. Damit konnten neben Parametern wie Maschenweite, Maschenabstand, Garnstärke weitere Einflüsse untersucht werden. Die neuen Ergebnisse wurden hinsichtlich der Herstellungsart und der Betonfestigkeit verglichen. In einer letzten Versuchsreihe beschäftigten wir uns mit dem Einfluss unterschiedlicher Tränkungen der Textilien, im Speziellen wurden hierbei flexible und starre Tränkungssysteme verglichen.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnten bereits erste allgemeine Aussagen abgeleitet werden. Zur letztendlichen Klärung des Tragverhaltens und zum besseren Verständnis der Mechanismen stehen noch numerische Simulationen aus, bspw. um den Spannungsfluss in den Probekörpern bei verschiedenen Winkeln zwischen Bewehrung-sebene und Druckbelastung visualisieren zu können. In Anlehnung an Modellvor-stellungen für geklüftete Gesteine soll ein Modell für Carbonbeton gefunden werden, um die Festigkeiten bei speziellen Neigungen der Textilien vorhersagen zu können.
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
Textilbeton unter Druck
Gießen von carbonbewehrten Proben
Die Eignung von Textilien als Zug- oder Querkraftbewehrung wurde bereits hinlänglich bewiesen. Im Zuge von Querkraft- und Torsionsversuchen und der Erstellung von Bemessungsmodellen stellte sich allerdings die Frage, ob die textile Bewehrung zu einer verminderten Druckstrebentragfähigkeit führen kann. Dies war der Ausgangspunkt für das gegenwärtige Forschungsvorhaben. Da in mehreren Anwendungsbereichen das Verhalten von Textilbeton (TRC) unter Druckbeanspruchung von Interesse ist, war eine detaillierte Untersuchung des charakteristischen Tragverhaltens von TRC unter Druck unumgänglich.
Um die Ziele des Forschungsvorhabens zu erreichen, wurden zu Beginn des Jahres der Versuchsaufbau und die Messtechnik für die entsprechenden Versuche optimiert. Besonders die Auswirkungen der Belastungsbürsten auf den Spannungszustand in den Betonproben standen im Fokus. Aber auch die gleichzeitige Dehnungsmessung in Längs- und Querrichtung stellte eine Herausforderung dar.
Parallel lief die Herstellung der Probekörper, welche die Grundlage für das umfangreiche Versuchsprogramm mit bis zu 550 Einzelversuchen darstellt. Das Versuchsprogramm umfasst sowohl unbewehrte als auch bewehrte Versuchskörper in Form von 40 × 40 × 40 mm³ großen Betonwürfeln. Mit Hilfe der unbewehrten Proben wurden zunächst die Einflüsse der Herstellung (a) mit dem bei der Verstärkung üblichen Handlaminieren und (b) durch Gießen untersucht. Außerdem dienten diese Tests als Referenzversuche für die bewehrten Würfel, in welche Textilien mit unterschiedlicher Garnstärke und Maschenweite eingebaut wurden. Die unterschiedlichsten Geometrien der Gelege in den Proben haben eine systematische Untersuchung der Einflüsse und Auswirkungen der Bewehrung zum Ziel.
Im Laufe des Jahres wurden die unbewehrten und laminierten bewehrten Probekörper getestet und die einzelnen Versuche ausgewertet. Im Rahmen der Auswertung werden verschiedenste Phänomene, hervorgerufen durch die Textilbewehrung, an Hand der aufgenommenen Spannungs-Dehnungs-Kurven untersucht und deren Einfluss auf das Verhalten von TRC unter Druck herausgestellt.
Zum Ende des Jahres 2016 läuft die dritte Versuchsphase an, welche darin besteht, gegossene bewehrte Proben im Vergleich zu den bereits getesteten laminierten Proben zu prüfen, um noch weitere Erkenntnisse zum charakteristischen Verhalten von TRC unter Druck zu gewinnen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2015
Textilbeton unter Druck
Versuchsaufbau mit angepasster DD1-Messvorrichtung
Textilbeton wurde in den vergangenen beiden Jahrzehnten intensiv entwickelt und erforscht. Im Fokus stand vor allem das Tragverhalten unter Zug- und Biegezugbeanspruchung. Auch gibt es bereits Bemessungsmodelle für grundlegende Belastungsarten. Bei Verstärkungen wird allerdings meist nur die in der Regel kritischere Zugkomponente betrachtet.
Bei vielen Anwendungsbereichen ist jedoch auch das Verhalten unter Druckbeanspruchung von Interesse, um das Tragverhalten im Detail erklären zu können. Textilbeton zeigt hier ein charakteristisches Tragverhalten, das sich von dem des Stahlbetons deutlich unterscheidet. Die Bewehrung selbst kann weder in Garnrichtung noch quer zur Längsrichtung der Fasern einen nennenswerten Tragwiderstand aufbauen. Erste Tests in Aachen und Cottbus ergaben beispielsweise eine verminderte Drucktragfähigkeit im Vergleich zur einaxialen Feinbetonfestigkeit, systematische Untersuchungen stehen allerdings noch aus. Es soll deshalb nun grundlegend experimentell untersucht werden. Insbesondere sollen die Abhängigkeiten der Hauptparameter textile Bewehrung und Winkel zwischen Textilebenen und Richtung der Druckspannung herausgestellt werden. Als Resultat des umfangreichen Versuchsprogrammes soll für die Haupteinflussparameter eine mathematische Formulierung bereitgestellt werden, mit welcher das Spannungs-Dehnungs-Verhalten und der Versagenszustand auf Materialebene beschrieben werden können. Des Weiteren ist die Formulierung eines Ingenieurmodells für wesentliche Einflussparameter und praktisch relevante Bemessungsfälle angedacht.
Zu Beginn des Projektes steht die Entwicklung eines geeigneten Versuchsstandes und eines geeigneten Messkonzepts im Vordergrund der Arbeiten. Die Lasteinleitung wird mit Belastungsbürsten realisiert, um die Querdehnungsbehinderung, die bei starren Platten auftritt, weitgehend zu minimieren. Des Weiteren wurden bereits geeignete Messmittel wie Dehnmessstreifen, DD1 oder Photogrammetrie untersucht und bewertet, so dass nun angepasste Messvorrichtungen für die Versuche zur Verfügung stehen. Aktuell findet die Herstellung unbewehrter Probewürfel mit Kantenlängen von 40 mm mit drei verschiedenen Verfahren für den ersten Teil der Hauptversuche statt. Zudem wurde eine Vorauswahl aus bereits verwendeten Textilien getroffen, damit das komplexe Versuchsprogramm im Januar 2016 gestartet werden kann.