Vorgespannter textilbewehrter Beton

Abstract

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.

The use of textile reinforcement in concrete has a long tradition and the advantages of textile reinforcement over typical steel reinforcement are numerous. For example, most textiles do not corrode in carbonated or chloride containing concrete. This property permits one to reduce the concrete cover to a value just large enough to transfer bond stresses from the reinforcement to the concrete, which allows the production of very thin reinforced concrete elements. A second advantage is that textile reinforcement is lightweight and flexible. This makes handling easy. Furthermore, textile reinforcement has very high strength, which allows a low reinforcement ratio. For untreated textiles, however, this high strength cannot be effectively utilized. One knows from steel reinforced concrete that concrete cracks and that reinforcement becomes effective only after cracking occurs. In this regard, the low reinforcement ratio and high strength of textile reinforcement, together with a lower modulus of elasticity, is disadvantageous. The first crack that forms becomes rather wide and subsequent cracks, if they develop at all, also become wide. This performance makes a structure less stiff. The consequence of this behaviour is that either the serviceability load of a member is rather low, i.e. within the range of the uncracked state, or, when cracks are accepted, the deformation or deflection may be rather large when an uneconomically high reinforcement ratio is not provided. To improve this situation a new approach is taken. The new approach is to prestress the concrete in order to fictitiously increase its tensile strength such that the cracking load is also increased and serviceability in the uncracked state is improved. All textile elements, either one-dimensional rovings or two-dimensional textiles, show a certain initial elongation and stiffness increase with applied stress (or elongation). Therefore, prestressing results in a smaller first crack than in the case of non-prestressed elements. Within the scope of this dissertation various types of textile and the prestress levels were investigated. The textiles were made from alkali resistant (AR) glass, aramid and carbon. In the study, untreated as well as epoxy impregnated fabrics, were tested. The thesis is mainly focussed on the following topics: - characterization of the materials and their behaviour (test methods, fresh and hardened concrete, textiles, bond, prestressing); - experimental investigations (pull-out tests and bending tests); - numerical simulation (bond and bending behaviour); - analysis and design of thin textile reinforced concrete sheets.

As in any reinforced structure, a transfer of forces from reinforcement to concrete is accomplished through bond. Therefore understanding and improving the bond properties between textile and concrete is important. In this thesis, bond properties between different textiles and high-performance fine grain concrete obtained from pull-out tests are discussed. Bending tests showed that the deflection of prestressed specimens in the uncracked state, as well as in cracked state, is much smaller than for non-prestressed specimens. Furthermore, prestressing helped to overcome the initial strain differences in the individual textile rovings. The variation in initial strain is in part due to imperfections in the filaments, but mainly due to the fact that not all filaments are loaded equally at the start of loading. Numerical simulations in which numerous parameters were varied were performed using a nonlinear finite element code based on the microplane model for concrete and a newly developed discrete bond model. The bond model is based on a discrete finite element formulation which can be used for steel reinforced concrete as well. The numerical simulations show the influence of different bond characteristics of textile reinforcements and provide clues for the optimisation of textile structures for use in concrete. The 3D material formulation also allowed for the analysis of complex thin reinforced structural elements. Using the experimental results and the numerical simulations shown in this thesis, the efficiency of different types of textile reinforcement on structural performance is discussed. It is shown that due to poor bond characteristics and low usable long-term strength, fabrics that are not impregnated are unsuited for prestressing applications in concrete. Impregnated textiles on the other hand show a good bond and excellent usable strength, as well as durability. Aramid and especially carbon fabrics seem to be most appropriate for prestressing applications in concrete and it is not recommended to use AR glass textiles due to fatigue. When properly executed, prestressing of concrete with impregnated textiles leads to an increase in the limit of proportionality in the uncracked state and in the cracked state to a decrease of deflection and crack width. Another beneficial effect of impregnation and prestressing is that the initial strain variations are eliminated. Therefore crack width remains small. The experimental and numerical investigations demonstrated that the use of impregnated textiles is well-suited for prestressing thin concrete sheets. When impregnated textiles were used, bond characteristics similar to steel reinforcement were shown by the new discrete bond model and the numerical simulation. The research confirmed that design recommendations for fibre reinforced polymer (FRP) elements in concrete could be applied for designing textile reinforced concrete elements.