Experimentelle Untersuchungen zum Zug- und Biegetragverhalten von textilbewehrtem hochfestem und ultrahochfestem Beton

Abstract

Am Institut für Tragkonstruktionen, Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau der Technischen Universität Wien wird im Zuge des Forschungsprojektes "sustainable building with textile reinforced ultra-high performance concrete" die Möglichkeit zur Reduktion des Eigengewichts von Betontragwerken untersucht. Dies soll durch Verwendung von textilen Bewehrungen und höherfesten Betonen gewährleistet werden. Bei Textilbeton wird, anstelle des korrosionsanfälligen Stahls, textile Bewehrung aus nichtrostenden Endlosfasern eingesetzt. Die Verwendung von höherfesten Betonen in Verbindung mit den Hochleistungsbewehrungen dient dazu die Effektivität des Baustoffes weiter steigern. Da die Betondeckung bei Stahlbetonbauteilen hauptsächlich als Korrosionsschutz dient, kann diese bei Verwendung nicht-metallischer Bewehrung deutlich reduziert werden. Die wesentliche Funktion der Betondeckung ist somit die Sicherstellung des Verbundes zwischen textiler Bewehrung und Betonmatrix und liegt im Allgemeinen im Millimeterbereich. Dies erlaubt die Realisierung wesentlich schlankerer Bauteile, womit eine Reduktion des Eigengewichts einhergeht und beispielsweise Transportkosten von Betonfertigkeilen gesenkt werden können. Da am Institut für Tragkonstruktionen, Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau der Technischen Universität Wien, bislang noch wenig Erfahrungswerte und Versuchsdaten zum Tragverhalten der Materialkombination höherfester Beton und Textilbewehrung vorliegen, wurden im Rahmen dieser Diplomarbeit erste experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Es wurden Vier-Punkt-Biegeversuche an textilbewehrten Probekörpern zur Beurteilung des Biegetragverhaltens durchgeführt. Dabei wurde das Rissverhalten in Form von Rissweiten, Rissabständen und Rissanzahl, sowie die Verformungseigenschaften, wie maximale Durchbiegung, Abweichung zur "idealen" Biegelinie und Krümmungsradius untersucht. Außerdem wurden die maximal aufnehmbaren Biegemomente und die vorhandenen Spannungen ermittelt. In der Zugversuchsreihe 1 wurden einaxiale Zugversuche durchgeführt, um das Zugtragverhalten sowie die qualitativen Verbundeigenschaften unterschiedlicher Beton-Bewehrungs- Kombinationen zu untersuchen. Diese Verbundeigenschaften wurden anhand der Rissanzahl und -abstände beurteilt. Außerdem konnte das Auftreten von Spaltrissen in der Bewehrungsebene beobachtet werden. Da die Delamination bei diesen Versuchen großteils unter Gebrauchslasten erfolgte, wurden in der Zugversuchsreihe 2 gezielte Untersuchungen zur Bestimmung der Einflüsse auf die Spaltrissbildung durchgeführt. Hierbei wurden unterschiedliche Textilbetonkonfigurationen mit einzelnen Rovings und unterschiedlichen Betonfestigkeiten verglichen. Um den Effekt der Querkontraktion von Rovings beurteilen zu können, wurde die Änderung der Dicke und Breite an nackten Rovings unter Zugbelastung gemessen. Die vorliegende Arbeit gibt einen generellen Überblick über die verwendeten Materialien sowie das Trag- und Verbundverhalten von Textilbeton. Der Hauptteil besteht aus der Auswertung und Interpretation der Ergebnisse der verschiedenen Versuchsreihen. Des Weiteren wird ein Berechnungsansatz vorgestellt, welcher eine Abschätzung des Delaminationsbeginns ermöglicht und als Grundlage für weitere Untersuchungen dienen soll.

At the Institute of Structural Engineering at the Technical University of Vienna several investigations have been made into "sustainable building with textile-reinforced ultra-high performance concrete" to reduce the dead load of concrete structures. In textile reinforced concrete, continuous filament fibers are used instead of steel, which is susceptible to corrosion. The use of high performance concrete in combination with high performance reinforcement serves to further increase the effectiveness of the building material. Since the main purpose of the concrete cover for reinforced components is to protect against corrosion, it can be significantly reduced by using non-metallic reinforcement. The thickness of the cover can thereby be brought down to the millimeter range, as its essential function of the concrete cover is only to ensure the bond between textile reinforcement and concrete matrix. This corresponds to significantly slimmer components and a reduction in the dead load, as well as secondary effects like the reduction of transport costs of pre-cast concrete. Since there have not yet been empirical descriptions of the load bearing behavior of combinations of high-performance concrete with textile reinforcement at the Institute of Structural Engineering of the Technical University of Vienna, preliminary experimental investigations have been carried out within the scope of this master`s thesis. Bending behavior of textile-reinforced samples was assessed with four-point bending tests. The crack behavior, in terms of crack width, crack spacing and the number of cracks, was also determined, as well as the deformation properties in terms of maximum deflection, deviation from the "ideal" bending line, and the radius of curvature. In addition, the maximum acceptable bending moments and the existing stresses have been determined. In the first series of tensile tests, uniaxial tensile tests were carried out to investigate the tensile behavior and qualitative compound characteristics of different concrete-reinforcement combinations. These compound characteristics have been assessed by the number of cracks and the average crack width. Delamination in the plane of reinforcement was observed under service loads, and so specific investigations have been carried out in a second series of tensile tests to determine the influencing factors. In these, different configurations of textile reinforced concrete with only one roving and different concrete strengths were compared. To assess the effect of the transverse contraction of the rovings, the changes in thickness and width of the rovings under tensile load have been measured. This thesis gives a general overview of the load-bearing and bond behavior of concrete with textile reinforcement. The main part consists of the evaluation and interpretation of the results of the different tensile test series. Furthermore, a calculation-based approach is presented which allows for estimation of the beginning of delamination and serves as a baseline for further investigations.