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Vorgespannter textilbewehrter Beton
(2004) Krüger, Markus; Reinhardt, Hans-Wolf (Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Dr.-Ing. E. h.)
Die Verwendung von Textilien zur konstruktiven Bewehrung von Betonbauteilen ist noch relativ neu. Viele grundlegende Untersuchungen und Erkenntnisse bezüglich textilbewehrter Bauteile stammen daher insbesondere aus der jüngeren Vergangenheit. Auch die in dieser Arbeit vorgestellte Anwendung von textiler Bewehrung zur Vorspannung dünner Betonplatten und -elemente ist eine innovative Entwicklung, bei der zunächst grundlegende Aspekte zu klären waren. Hierzu gehörten zunächst die Wahl von zur Herstellung vorgespannter Betonbauteile geeigneten Betonzusammensetzungen und Textilien wie auch die Ermittlung grundlegender Charakteristika der verwendeten Materialien. Hierbei sind die Eigenschaften sowohl einzeln für sich als auch im Materialverbund Textil/Beton von Bedeutung. Wie die Ausführungen zeigen, spielt bezüglich der Tragfähigkeit, der Rissbreiten und der gleichmäßigen Ausnutzung des gesamten Rovingquerschnitts eines Textils insbesondere ein ausreichend hoher innerer Verbund eine große Rolle. Es hat sich herausgestellt, dass Beton während der Bauteilherstellung nur unzureichend in den Roving eindringt und der innere Verbund daher gering ist. Bei Aufbringen einer Vorspannung wird die Möglichkeit des Eindringens von Zementleim in den Roving durch die zunehmende Bündelung der einzelnen Filamente sogar noch weiter vermindert. Eine Übertragung der Vorspannkräfte auf den Beton kann deswegen nur über sehr große Lasteinleitungslängen gewährleistet werden, was nicht praktikabel ist. In der Regel sind daher gesonderte Maßnahmen zur Verbesserung des inneren Verbundes unabdingbar. In Analogie zur Problematik des inneren Verbunds sollte aber auch der äußere Verbund, im Detail der Haft- und Reibverbund zum umgebenden Beton, durch geeignete Maßnahmen gezielt den Anforderungen an das spätere Bauteil angepasst werden. Harzimprägnierungen oder die Verwendung von aufgeschmolzenen Friktionsspinnhybridgarnen in Verbindung mit der Schaffung einer rauen Oberflächenstruktur haben hier ihre Eignung bewiesen. Eine raue Oberflächenstruktur ist zudem erforderlich, da bei vorgespannten Bauteilen mit sofortigem Verbund zum Zeitpunkt des Ablassens der Vorspannung der Haft- bzw. Reibverbund von Beton und einem unbehandelten Roving unzureichend ist. Die Maßnahmen zur Oberflächenmodifikation verbessern gleichfalls auch den inneren Verbund, was insbesondere der nutzbaren Zugfestigkeit eines Textils zu Gute kommt und gegebenenfalls höhere Kosten aufwiegen kann. Von Interesse sind hohe nutzbare Festigkeiten aber nicht nur im Textil-/Betonverbund, sondern auch bei der Überlegung, textile Bewehrungen für die Vorspannung einzusetzen. Das heißt, derartige textile Bewehrungen müssen grundsätzlich auch im nicht eingebetteten Zustand eine ausreichende Festigkeit aufweisen, damit eine Vorspannung überhaupt erst aufgebracht werden kann. Die Verwendung von Rovings hoher Feinheit ist sowohl aus konstruktiver, als auch aus verarbeitungstechnischer und wirtschaftlicher Sicht oftmals unabdingbar. Insbesondere Rovings höherer Feinheit aber müssen beispielsweise durch die oben bereits angesprochenen Maßnahmen modifiziert werden, um ein sukzessives Versagen einzelner Filamente und somit auch ein vorzeitiges Versagen des gesamten Rovings bei Zugbeanspruchung zu unterbinden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zur Durchführung von nichtlinearen Finiten-Element-Berechnungen ein neues Verbundmodell für textile Bewehrung entwickelt. Dieses baut auf bereits hinreichend bekannte Zusammenhänge aus dem Stahlbetonbau auf, berücksichtigt aber zudem die speziellen Eigenschaften textiler Bewehrung. In Parameterstudien wurden für textilbewehrte Betone geeignete Materialcharakteristika untersucht und geeignete Materialmodelle hierzu angegeben. Umfangreiche FE-Simulationen von Pull-Out-Versuchen sowie Biegeversuchen haben gezeigt, dass dieses Verbundmodell in Verbindung mit geeigneten Materialmodellen in der Lage ist, das Tragverhalten vorgespannter textilbewehrter Betonelemente hinreichend genau zu beschreiben. Aus der Analyse der experimentellen Ergebnisse und der FE-Simulationen geeignete Konzepte zum Entwurf sowie zur Bemessung vorgespannter textilbewehrter Bauteile ableiten. Bemessungsansätze, wie sie bereits bei dem Einsatz von FVK-Stabbewehrung in Beton Anwendung finden, haben sich unter Berücksichtigung einiger Modifikationen auch bei der Verwendung textiler Bewehrung in ersten Untersuchungen als zweckmäßig erwiesen. Die durchgeführten Versuche, die numerischen Simulationen wie auch die Berechnungen zur Bemessung haben gezeigt, dass die Effektivität textiler Bewehrungen in Beton insbesondere durch eine Optimierung des Verbunds deutlich gesteigert werden kann. Die Wahl des Fasermaterials bzw. dessen charakteristische Eigenschaften sind unter diesem Gesichtspunkt eher von untergeordneter Bedeutung. Vollständig imprägnierte Textilien sind im Ergebnis zur Herstellung vorgespannter Betonelemente geeignet. Nur mit einer Schlichte versehene Textilien scheiden hingegen für einen Einsatz als Vorspannelement für Betonbauteile meist aus. Durch die Vorspannung der textilen Bewehrungen konnte die Tragfähigkeit der untersuchten Elemente gesteigert werden. So wurde anhand von Biegeversuchen gezeigt, dass durch die Vorspannung sowohl die Erstrisslast als auch die Bauteilsteifigkeit insbesondere bei geringen Durchbiegungen erhöht wird. In Verbindung mit der Verbundverbesserung von Textil und Beton konnten zudem die Rissbreiten im gerissenen Zustand vermindert werden. Für die Gebrauchstauglichkeit eines textilbewehrten Bauteils ist eine Vorspannung folglich vorteilhaft. Problematisch erweist sich allerdings der verhältnismäßig hohe Aufwand zur Vorspannung von Textilien.