Teilprojekt B5

Verbundtragverhalten der textilen Bewehrung und Grundlagenuntersuchungen zu konstruktiven Bewehrungsdetails

Leitung

Dr.-Ing. Regine Ortlepp
Institut für Massivbau

Mitarbeiter

Ziele

Hauptziel des Teilprojektes B5 ist die grundlegende Untersuchung der Kraftübertragung zwischen der textilen Bewehrung und der Feinbetonmatrix, insbesondere auch in konstruktiv wichtigen Detailpunkten wie z. B. Endverankerungen oder Übergreifungsstößen der textilen Bewehrung.

Ein erstes Ziel des Teilprojektes B5 ist die Beschreibung des Verbundverhaltens zwischen dem Bewehrungstextil und der Feinbetonmatrix. Die Quantifizierung der Einflüsse, wie z.B. die Oberflächenstrukturierung der Filamentgarne im Textil, die Zusammensetzung der Beschichtung, das Fasermaterial, die mineralische Matrix oder auch die Schichtdicken der Feinbetonmatrix, stellt dabei einen Hauptuntersuchungspunkt dar.

Das zweite Ziel ist die ingenieurmäßige Beschreibung der Kraftübertragung an Endverankerung und Übergreifungsstößen. Mit den Berechnungsansätzen soll es möglich werden, für ausgewählte Textilien in Abhängigkeit von deren Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung die erforderliche Verankerungs- und Übergreifungslänge zu bestimmen.

Für die Anwendbarkeit der gesuchten Berechnungsansätze ist die Vorgabe bestimmter einzuhaltender Randbedingungen erforderlich, unter denen ein Versagen des Verbundes zwischen der textilen Bewehrung und der sie umgebenden Feinbetonmatrix ausgeschlossen werden kann. Das sind z. B. Mindestschichtdicken zur Einleitung der Verbundkräfte aus dem Textil in die Feinbetonmatrix, so dass ein Aufspalten der Bewehrungsebenen infolge Überschreiten der Zugringtragfähigkeit vermieden wird.

In bestimmten Bereichen verstärkter Bauteile wird eine möglichst kurze Verbundlänge der textilen Bewehrung benötigt. Als Beispiel sei hier die Querkraftverstärkung von Plattenbalken genannt, bei welcher die Verankerung der textilbewehrten Verstärkungsschicht nur im Bereich zwischen dem letzten Schubriss und der Unterkante der Platte erfolgen kann (siehe Teilprojekt D1 und Transferprojekt T3). Im Hinblick auf die verstärkte Nutzung von Carbonfasern mit größerer Verankerungslänge gegenüber Glasfasern ergibt sich das Ziel der Entwicklung konstruktiver Lösungen zur Verkürzung der Verankerungslänge. Es ist zu untersuchen, inwieweit bei textilen Bewehrungen zusätzlich zu sinnvollen geometrischen Verankerungsformen, wie z.B. Schlaufen, auch veränderte Verbundeigenschaften, wie z. B. eine zusätzliche Beschichtung der Randbereiche, als alternative Verbundverbesserung im Verankerungsbereich genutzt werden können.

Ergebnisse

Verbunduntersuchungen

Im Rahmen des Teilprojektes wurde der von KRÜGER entwickelte Versuchsaufbau zur Durchführung von Textilauszugsversuchen mit kurzen Einbindelängen speziell für die Prüfung beschichteter carbonbewehrter textiler Gelege modifiziert und weiterentwickelt. Dazu wurde die Probe im oberen Bereich verlängert und die obere kurze Verankerungslänge lE auf die Eigenschaften des jeweiligen Textils angepasst. Der obere Einbindebereich wird zur Ermittlung der Verbundkennwerte textil verarbeiteter Garne mit dem ein bzw. mehrfachen Abstand der jeweiligen Querfäden festgelegt. Er sollte jedoch zur Sicherstellung einer kurzen Einbindelänge 30 mm nicht überschreiten. Der untere verankerte Abschnitt muss zur Gewährleistung einer ausreichenden Lasteinleitungslänge ohne Schlupf des verankerten Garnendes deutlich vergrößert werden. Die in den Textilauszugsversuchen versuchtechnisch bestimmten Kraft-Rissöffnungs-Beziehungen bilden die Grundlage für die rechnerische Bestimmung der Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen.

Bild 1: Versuchsaufbau

In den experimentellen Verbunduntersuchungen werden die Kraft-Rissöffnungs-Beziehungen für verschiedene im SFB verwendete nähgewirkte Gelegestrukturen ermittelt. Das Bild zeigt beispielhaft ein biaxiales Gelege, das in Kettrichtung (= Untersuchungsrichtung) aus Carbonfilamentgarnen der Toho Tenax Europe GmbH mit einer Feinheit von 800 tex besteht. Der Achsabstand beträgt einheitlich 7,2 mm. In Schussrichtung wurden alkaliresistente Glasfasern der Saint-Gobain Vetrotex Deutschland GmbH mit einer Feinheit von 640 tex in einem Abstand von 18,0 mm verarbeitet. Die Textilien wurden mit einer nachträglichen Beschichtung auf Polymerbasis modifiziert. Der Beschichtungsgehalt beträgt 15,0 Masse-%.

Bild 2: Textil

Aus den durchgeführten Textilauszugsversuchen ergibt sich eine Kraft-Rissöffnungs-Beziehung, die als Mittelwert aus acht Versuchen bestimmt wurde. Die einzelnen Verbundbereiche sind in der Kraft-Rissöffnungs-Beziehung für das Beispieltextil aus beschichteten Carbonfasern deutlich erkennbar. Während im ansteigenden Bereich 1 der Haftverbund aktiviert wird, kommt es im abfallenden Abschnitt 2 zu einer Zerstörung des Haftverbundes mit einer Ablösung des Garnes von der Feinbetonmatrix. Im anschließenden 3. Bereich wird die verbleibende Auszugskraft von etwa 50% des Größtwertes nur noch durch Reibung bestimmt. Dabei kommt es in Folge verarbeitungsbedingter Einflüsse aus dem Nähfaden und der Garnwelligkeit in Verbindung mit der versteifend wirkenden Beschichtung bei steigender Rissöffnung zu einer nochmaligen Vergrößerung des Garnauszugswiderstandes. Bei textil unverarbeiteten Garnen ist im Gegensatz dazu von einem stetigen gleichmäßigen Abfall des Auszugswiderstandes im Reibbereich nach der Zerstörung des Haftverbundes auszugehen.

Bild 3: Kraft-Verformungs-Kurve

Analytische Untersuchungen

Ziel der analytischen Untersuchungen ist die Bestimmung der Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen (VSB) anhand der gemessenen Kraft-Rissöffnungs-Beziehungen aus den Textilauszugsversuchen mittels eines auf die Probekörpergeometrie angepassten Modells. Unter Nutzung der ermittelten VSB wird anschließend die zur Verankerung einer entsprechenden Kraft F erforderliche Verankerungslänge lE berechnet. Die nachfolgende rechnerische Betrachtung des Verbundproblems zwischen Filamentgarn und Matrix erfolgt mittels eines schlupfbasierten Modells aufbauend auf den im Teilprojekt A3 entwickelten, multilinearen abschnittsweise geschlossenen Lösungen der Verbunddifferentialgleichung nach RICHTER.

Für die analytischen Untersuchungen des Verankerungsproblems wird ein konstanter E-Modul für das Garn sowie ein über die Einbindelänge gemittelter einheitlicher Garnumfang von ug = 3,3 mm angenommen. Der gemittelte Umfang eliminiert sich im weiteren Verlauf der Berechnung wieder und hat auf das Endergebnis der Verankerungslänge keinen Einfluss. Zudem werden die Dehnungen der Betonmatrix aufgrund ihrer geringen Größe vernachlässigt.

Bei Betrachtung der Relativverschiebungen im Riss ist bei der gewählten Versuchsanordnung zwischen den Anteilen aus dem oberen und dem unteren Bereich des Versuchskörpers zu unterscheiden. Im oberen Bereich der Probe wird ein Versagen durch Auszug des Filamentgarnes aus der Feinbetonmatrix maßgebend. Aufgrund der gewählten geringen Verankerungslänge lE von 18 mm wird bei den hier vorliegenden Dehnsteifigkeiten im Regelfall eine gleichzeitige Aktivierung mehrerer Abschnitte der VSB verhindert. Lediglich im Übergangsbereich zwischen den einzelnen linearen Abschnitten kommt es in kleinen Bereichen zur Nutzung von zwei Abschnitten der VSB. Es ist eine jeweils bereichsweise geschlossene Lösung mit einer Formulierung der Funktion sge,1(F) möglich. Zur Einleitung der vorhandenen Auszugskräfte ist im unteren Bereich lediglich eine Aktivierung des Haftverbundes im ansteigenden Abschnitt der Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung erforderlich. Der zugehörige Schlupf ist in Abhängigkeit von der Garnauszugskraft am gezogenen Ende ist zu sge,2(F) berechenbar. Nach der Ermittlung der Einzelwerte der Relativverschiebungen der gezogenen Enden aus dem oberen und unteren Teil der Probe kann anschließend die zugehörige Rissöffnung w(F) im Bereich der Sollbruchstelle als Summe der Relativverschiebungen der belasteten Garnenden sge,1(F) und sge,2(F) berechnet werden.

Bild 4: Berechnungsalgorithmus

Im zweiten Schritt kann unter Verwendung der berechneten, abschnittsweise linearen VSB die Ermittlung der zur Verankerung einer entsprechenden Kraft F erforderlichen Verankerungslänge lE in Abhängigkeit vom Schlupf am gezogenen Faserende sge, bestimmt werden. Durch Variation des Startwertes ?0 ist unter Kenntnis der VSB die Berechnung der erforderlichen Verankerungslänge sowohl für Endverankerungen wie auch für durchlaufende Bewehrungen mit einem Verschiebungsnullpunkt am Ende der erforderlichen Lasteinleitungslänge möglich.

Bild 5: Verbundspannungsverteilung

Verankerungslängen textiler Bewehrungen

Unter Verwendung des im Teilprojekt C1 entwickelten Versuchsaufbaus zur direkten Bestimmung der Verankerungslänge erfolgte die vergleichende experimentelle Überprüfung der aus den Auszugsversuchen analytisch bestimmten Verankerungslängen. Zu diesem Zweck wurde Probekörperform für die Prüfung einer konstanten Verankerungslänge modifiziert.

Bild 6: Verankerungslängen-Vergleich

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche zur Bestimmung der Verankerungslänge sind als Mittelwert aus jeweils 4 Einzelproben dargestellt. Während bei ausreichend eingebundenen Filamentgarnen mit Lasteinleitungslängen von = 80 mm ein Faserriss zu beobachten ist, kommt es bei Verankerungslängen von = 70 mm zum Faserauszug. Der Mittelwert der Faserzugkraft betrug ca. 680 N. Vergleichend zu den experimentellen Werten sind die aus Kraft-Rissöffnungs-Beziehung analytisch bestimmten Verankerungslängen abgebildet. Es konnte eine gute Übereinstimmung der berechneten mit den experimentell bestimmten Versagenslasten und den jeweils zugehörigen Verankerungslängen festgestellt werden. Die sehr aufwendigen experimentellen Versuche zur Bestimmung der Endverankerungslänge sind damit bei kommenden Untersuchungen nur noch zur stichprobenartigen Überprüfung der analytisch berechneten Lasteinleitungslängen erforderlich.

Verankerungselemente

Die Versuche zur Bestimmung der Wirkung geometrischer Verankerungselemente erfolgte in Anlehnung an Verankerungsmethoden im Stahlbetonbau durch haken- und schlaufenförmig eingebaute unverarbeitete Filamentgarne. Es wurde überprüft, inwiefern eine Weiterentwicklung oder auch gegebenenfalls die Umsetzung bei der Herstellung textiler Bewehrungsstrukturen sinnvoll ist. Die Untersuchungen erfolgten mit Hilfe des Versuchsaufbaus für die Pull-Out-Versuche. Der untersuchte Ausrundungsradius der Verankerungselemente wurde mit 1,5 cm gewählt. Bei den untersuchten Proben wurde die Einbindelänge lE beginnend mit 25 mm so lange gesteigert, bis das Versagen in den Bereich außerhalb der Verankerung wechselte.

Bild 7: Versuchsaufbau

Bei den ermittelten Mindestverankerungslängen konnte allgemein eine Verkürzung der erforderlichen Lasteinleitungslängen durch eine haken- und schlaufenförmige Anordnung der Filamentgarne erreicht werden. Während für vergleichbare, gerade verankerte Garnenden eine Verankerungslänge von 10 cm gemessen wurde, ermöglichte die Verwendung der Verankerungshaken eine Reduktion der erforderlichen Einbindelänge um 30%. Durch den Einsatz schlaufenförmiger Elemente konnte eine weitere Verringerung des in Kraftrichtung nötigen Lasteinleitungsbereiches um etwa50 % im Vergleich zum gerade verankerten Referenzgarn erreicht werden.

Bild 8: Ergebnisse

Untersuchungen zur Effektivität der Erhöhung der Bewehrungsmenge im Verankerungsbereich sowie Verbund verbessernder Maßnahmen, wie zusätzliche Epoxidharzbeschichtung, Epoxidharz mit Besandung, haben Verkürzungen der erforderlichen Lasteinleitungslängen um 50 bis 60% im Vergleich zum nicht modifizierten Referenztextil gezeigt. Die stärkste Verringerung des erforderlichen Verankerungsbereiches mit einer Reduktion auf ca. 40% konnte bei den epoxydharzbeschichteten und besandeten Gelegen festgestellt werden.

Bild 9: Beschichtung

Übergreifungslängen

Bei Verstärkungsmaßnahmen mit Textilbeton sind Übergreifungsstöße im Regelfall nicht zu vermeiden. Die Übergreifungsstöße in Textilbetonverstärkungen werden dabei aufgrund des flächigen Aufbaus der textilen Gelege sowie der lagenweisen Herstellung des Verbundwerkstoffs im Regelfall als zweilagige Stöße ausgeführt. Zur experimentellen Untersuchung des Tragverhaltens solcher Stöße wurden Übergreifungsversuche in Anlehnung an die mittlerweile etablierten einaxialen Zugversuche mit einem Übergreifungsstoß in Probenmitte durchgeführt.

Bild 10: Versuchsaufbau

Grundsätzlich können bei Textilbeton hinsichtlich eines Verbundversagens unter-schiedliche Versagensarten auftreten. Im Bereich der Übergreifungsstöße konnten zwei verschiedene Mechanismen des Verbundversagens beobachtet werden. Zum einen kann es zu einem Versagen durch Auszug der Garne aus der Feinbetonmatrix kommen. Die zweite Variante ist ein Versagen durch Spaltrissbildung/Delamination innerhalb des Übergreifungsstoßes. Im Grenzzustand des Garnauszuges werden die Übergreifungslängen direkt durch die Größe der Verbundkräfte beeinflusst. Werden die übertragbaren Verbundkräfte zwischen Garn und Matrix größer, z. B. durch eine Erhöhung des Beschichtungsgrades der textilen Bewehrung, führt dies zu einer kürzeren erforderlichen Übergreifungslänge. Die Neigung zum Delaminationsversagen wird von den Querzugkräften bestimmt, die durch die Krafteinleitung und Übertragung innerhalb des Übergreifungsstoßes entstehen. Wird die Zugfestigkeit des Betons in der Ebene der textilen Bewehrung überschritten, entstehen am Beginn des Übergreifungsstoßes zunächst kleine Spaltrisse, welche mit zunehmender Last immer weiter in den Übergreifungsbereich hineinwandern und anschließend zum Versagen führen können. Anhand der Versuchsergebnisse und der Betrachtung der Versagensmechanismen wurde ein Modell entwickelt, mit dem die erforderlichen Übergreifungslängen im Grenzzustand des Garnauszuges zutreffend prognostiziert werden können. Auch wurden umfassende analytische Untersuchungen zur Vorhersage der Delaminationsneigung durchgeführt, die ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den versuchstechnisch ermittelten Werten ergab. Außerdem konnten anhand der Versuche und Beobachtungen gezielt Anforderungen zur weiteren Verbesserung und Optimierung des Textil-Matrix-Systems definiert werden, die derzeit Erfolg versprechend umgesetzt werden.

Veröffentlichungen

2011

Schladitz, F.; Lorenz, E.; Jesse, F.; Curbach, M.: Usilenie Tekstilynym Betonom Schelesobetonnoi Konstrukzii Kryschi Istoritschkogo Sdanija. Beton i Zhelezobeton 1 (2011), S. 27-30
Curbach, M.; Ortlepp, R.: Leichtes Bauen mit ultrahochfesten und Textilbetonen. In: Bauforschung und Baupraxis, Heft 10: “Wie wollen wir in Zukunft bauen?” – Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Jäger, Dresden, 19.04.2011. S.17-22 - ISBN 978-3-86780-216-1

2010

2009

Lorenz, E.; Ortlepp, R.: Berechnungsalgorithmus zur Bestimmung der Verankerungslänge der textilen Bewehrung in der Feinbetonmatrix. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 491+502 – ISBN 978-3-86780-122-5 URN: urn:nbn:de:bsz:14-ds-1244049857647-62309
Ortlepp, R.; Brückner, A.; Lorenz, E.: Verbundversagensmechanismen im Verankerungsbereich von textilbewehrten Feinbetonverstärkungsschichten. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 433-446 – ISBN 978-3-86780-122-5 URN: urn:nbn:de:bsz:14-ds-1244049139702-05245
Ortlepp, R.; Lorenz, E.: Anchoring of textile reinforcements in a fine-grained concrete matrix.In: Kuczma, M. (Hrsg.); Wilmanski, K. (Hrsg.); Szajna, W. (Hrsg.): Proceedings of the 18th International Conference on Computer Methods in Mechanics – CMM2009, Zielona Góra, 18.–21.5.2009. Zielona Góra : The University of Zielona Góra Press, 2009, S. 347–348 – ISBN 978-83-7481-245-0
Lorenz, E.; Ortlepp, R.: Basic research on the anchorage of textile reinforcement in cementitious matrix. In: 9th International Symposium on Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures (FRPRCS-9), Sydney, 13.-15.07.2009. – Book of Abstracts, p. 136 and CD-ROM – ISBN 978-0-9806755-0-4