Torsionsversuche an textilbetonverstärkten Stahlbetonbauteilen

Zur Untersuchung des Torsionstragverhaltens von textilbetonverstärkten Stahlbetonbauteilen wurden Torsionsversuche an Bauteilen mit runden und quadratischen Querschnitten durchgeführt. Anhand von Versuchsergebnissen wird gezeigt, dass durch die Textilbetonverstärkung die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit deutlich verbessert werden kann. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden mit Hilfe von Stabwerksmodellen beschrieben. Torsion Test at Textile Reinforced Concrete Strengthened Components In order to examine the torsion bearing behaviour of textile reinforced concrete components torsion tests have been carried out at building units with round and square shaped cross sections. Test results display that using textile reinforced concrete can considerably improve the load carrying capacity and the serviceability. The results of the experimental research are being described by strut‐and‐tie models.     

Erhöhung der Verbundtragfähigkeit von aufgeklebten CFK‐ oder Stahl‐Lamellen auf Stahlbetonkonstruktionen durch Bügelumschließungen

Bei Bauteilverstärkungen mit CFK‐Lamellen ist nach geltender Zulassung das Lamellenende durch eine äußere Umschließung durch Stahlbügel oder CF‐Gelege gegen eine Lamellenentkopplung (LEK) zu sichern. Durch die Entkopplungsbehinderung der Umschließung wird bei beginnender LEK ein passiver (selbstinduzierter) Anpressdruck aufgebaut, der eine traglaststeigernde Wirkung hat. In einem durch die DFG geförderten Forschungsvorhaben wurde die Traglaststeigerung durch unterschiedliche Umschließungsmaterialien und ‐geometrien untersucht und beschrieben sowie für die Bemessung ein Ingenieurmodell entwickelt. Anders als bei einbetonierter Bewehrung tritt bei einer Lamellenentkopplung sowohl eine Längs‐ als auch eine Querverschiebung der Lamelle auf, verursacht durch die anhaftenden Zuschlagskörner in der Klebstofffuge. Wird die abhebende Verschiebung der Lamelle durch Umschließungsbügel behindert, baut sich der passive Anpressdruck auf, was zu einer Steigerung der Lamellenzugkraft infolge der erhöhten Reibung im Riss führt. Es konnte ein direkter Zusammenhang zwischen dem Anpressdruck F_AP und der Lamellenzugkraft F_l gefunden und abgebildet werden. Increase of the Bond Capacitiy of Externally Bonded CFRPor Steel‐plates on RC‐Structures as the Result of External Enclosures Strengthening of concrete structures with externally bonded CFRP‐ or steel‐plates has become a well established strengthening method in many countries. In Germany building authority approvals demand that the end of a plate has to be provided by a glued external enclosure. Glued enclosures are primarily needed in order to increase the shear force capacity of a RC member. It is known, that a transverse enclosure of longitudinal CFRP‐plates has a positive effect on the buckling load of the latter, which is yet completely unknown. The aim of this work is to assess the increase of the buckling load caused by the enclosure. In the paper the dependency between the so‐called self‐induced contact pressure of an external enclosure with steel frames or laminated carbon fiber sheets and the longitudinal force of the CFRP‐ or steel‐plate is shown. The self‐induced contact pressure is the result of the vertical lifting of the plate towards the external enclosure due to the beginning of plate's debonding process. The test results show, that the increase of the plate‐force depends on the type and size of the external enclosure. In some tests up to twice of the ultimate load was optained. An engineering model is presented to take into consideration the effect for dimensioning.     

Textilbeton verstärkte Platten unter Brandbelastung

Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wurden Stahlbetonplatten hergestellt, mit verschiedenen textilen Bewehrungen verstärkt, durch Belastung bis 125% Gebrauchslast vorgeschädigt und anschließend unter Gebrauchslast mit einer Brandbelastung nach der Einheitstemperaturkurve (ISO‐834, Cellulosic curve) beaufschlagt. Alle Platten hielten der Brandbelastung bei gleichzeitiger Biegebeanspruchung mehr als 60 Minuten stand und zeigten weder Betonabplatzungen noch andere optische Schädigungen auf. Die für dieses überraschend positive Ergebnis verantwortlichen Mechanismen werden diskutiert, sind aber noch nicht vollständig verstanden. Eine Schlüsselrolle spielt dabei vermutlich das gute Rissverhalten von Textilbeton und interne Lastumlagerungen zwischen Textil‐ und Stahlbewehrung. Textile Reinforced Concrete Strengthened Slabs under Fire Loading Within an experimental study steel reinforced concrete slabs were produced and strengthened with different types of textile reinforcements. They were than pre‐damaged with 125% service load and subsequently exposed to fire loading (ISO‐834, Cellulosic curve) under simultaneous service load. The tests lasted up to 60 minutes with no specimen failed. The slabs did not show any visual damage nor concrete spalling. We discuss the presumably reasons for that surprisingly positive test result, although mechanisms are not yet fully understood. The excellent crack control of TRC and load redistribution between textile and steel reinforcement as well as load redistribution in the slabs are assumedly key mechanisms that contribute to the excellent fire resistance.     

Eigenschaften und Anwendung von Textilbeton

Specifications and Application of Textile Reinforced Concrete (TRC) Textile reinforced concrete (TRC) is a new composite with specific properties. This paper should address the needs of a generally understandable introduction into TRC design for practitioners. Because TRC leaves the existing range of application specific properties as well as similarities and differences to steel reinforced concrete will be illustrated. In detail requirements for fibre materials, typical materials and technologies for production of textile reinforcement and TRC are elucidated. The discussion of various case studies of existing applications serve for demonstrating specifics and capabilities of this composite. It also shows important first principles for designing with TRC. A set of typical material data should enable readers to think about applications of this innovative composite.     

Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von gevouteten Stahlbetonbalken ohne Querkraftbewehrung

Bei der Bestimmung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonträgern mit veränderlicher Höhe ist bislang unzureichend geklärt, in wie weit der Einfluss eines geneigten Druck‐ oder Zuggurts (V_ccd bzw. V_td) bei Balken bzw. Platten ohne Schubbewehrung berücksichtigt werden kann. Zu dieser Problematik wurde eine umfangreiche Versuchsserie mit 18 gevouteten Balken durchgeführt, deren Ergebnisse in diesem Beitrag erläutert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass bislang kein Rechenverfahren existiert, welches das Querkrafttragverhalten von gevouteten Stahlbetonbalken zutreffend beschreibt. Die im Versuch erreichten Traglasten waren bei Berücksichtigung der Vertikalkomponente eines geneigten Druck‐ bzw. Zuggurts (V_td and V_ccd) teilweise geringer als die Rechenwerte der DIN. Shear Strength of Haunched Concrete Beams without Transverse Reinforcement The shear capacity of concrete members without transverse reinforcement is still under debate. Within this paper one aspect, the favourable contribution of inclined tension and compression chords (V_td and V_ccd) of members with variable depth, like haunched beams, will be discussed in detail. A series of 18 tests on 9 different specimens was performed to examine the real shear capacity of haunched beams without shear reinforcement. The evaluation of the test results revealed, that none of the available design methods can describe the shear behaviour of haunched beams. The vertical component of the inclined compression chord V_ccd leads in some cases to unsafe values.     

Zur Mindestquerkraftbewehrung von Stahlbetonbalken

On minimum shear reinforcement amounts for reinforced concrete beams A ductile shear bearing behaviour of reinforced concrete beams is recently ensured by providing standardized amounts of minimum shear reinforcement in compliance with established detailing provisions. However, lower than minimum shear reinforcement amounts do not necessarily go along with a brittle mode of failure in all cases. Dependent on the individual layout and amount of stirrups, the contributions of other bearing capacities and the crack formation itself, the initial cracking force might be overtaken even along with further load gains and reasonable limited shear crack widths. Especially the latter one holds potential to rate the failure mode – brittle or ductile – on site. Experiments on lightly shear reinforced single span concrete beams are evaluated and rated with respect to minimum shear reinforcement amounts required. Thereby, special interest is set on the load‐deformation response obeying the critical shear crack and the structural design. Finally, the overall shear resistance as well as the stirrups' efficiency in the effective shear domain are analysed to derive suggestions for future practical application on‐site.     

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Fasern verstärktem Stahlbeton am Beispiel ultrahochfesten Betons

Crack Formation and Tensile Behaviour of Concrete Members Reinforced with Rebars and Fibres exemplified by Ultra‐High‐Performance Concrete Part 1: Crack Mechanical Relationships When combining conventional non‐pre‐stressed or pre‐stressed reinforcement with fibres, differences in the load‐carrying and deformation behaviour arise in comparison to the well‐known reinforced and pre‐stressed concrete. This fact holds true comparably for all concrete classes. However, it is of special interest for ultra‐high‐performance concretes (UHPC), because fibres are added to these concretes generally to improve ductility. With regard to durability, the positive influence of the fibres on the crack formation process and the crack widths in the serviceability range is significant. Especially for enhanced requirements concerning the crack width (order of magnitude: 0.1 mm) with combined reinforcement of rebars and fibres an essential improve compared to reinforced concrete can be achieved. The analysis of the crack formation process presumes the understanding of the different behaviours of the two reinforcing elements ”rebars” and ”fibres”. In part 1 of this contribution, the therefore required mechanical relationships are presented and linked with each other considering equilibrium and compatibility. In part 2 the derived relationships are validated on the basis of experimental investigations on tensile members with combined reinforcement made of UHPC. The application is furthermore illustrated by means of two examples. Because of its universal formulation, the presented proposal is generally applicable to all types of concrete reinforced with rebars and fibres, i.e. it is not limited to ultra‐high‐performance concrete.     

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Fasern verstärktem Stahlbeton am Beispiel ultrahochfesten Betons

Wegen des Problems möglicher Inhomogenitäten der Faserverteilung/‐ orientierung ist der Einsatz von Fasern als alleinige Bewehrung im konstruktiven Ingenieurbau auf wenige Anwendungsgebiete beschränkt (z. B. Aufnahme von Zwangbeanspruchungen). Unter Zugbeanspruchung lässt sich zudem mit den in der Praxis für normalfeste Betone gebräuchlichen Fasergehalten nach der Erstrissbildung kaum ein verfestigendes Verhalten erzielen. Kombiniert man jedoch Stabstahlbewehrung und Faserbewehrung zu einem stahlfaserverstärkten Stahlbeton, so addieren sich die Vorteile beider Verbundwerkstoffe gleichermaßen. Besonders bei erhöhten Anforderungen an die Rissbreite (Größenordnung: unter 0, 1 mm) kann durch gemischte Bewehrung aus Stabstahl und Fasern eine wesentliche Verbesserung gegenüber Stahlbeton erzielt werden. Im Teil 1 dieses Beitrags wurden die für das Verständnis der unterschiedlichen Wirkungsweisen der beiden Bewehrungselemente “Stabstahl” und “Fasern” erforderlichen mechanischen Zusammenhänge dargestellt. Im Teil 2 erfolgt eine Überprüfung der abgeleiteten Beziehungen anhand experimenteller Untersuchungen an gemischt bewehrten Zugelementen aus ultrahochfestem Beton (UHPC). Für UHPC erreicht die Thematik besondere Aktualität, da aus Gründen der Duktilität der Einsatz von Fasen bei diesen Betonen die Regel ist. Der Nachweis der Begrenzung der Rissbreite bei kombinierter Bewehrung wird zudem an zwei Rechenbeispielen veranschaulicht. Crack Formation and Tensile Behaviour of Concrete Members Reinforced with Rebars and Fibres exemplified by Ultra‐High‐Performance Concrete. Part 2: Experimental Investigations and Examples of Application Due to the problem of possible inhomogeneities of fibre distribution/orientation the use of fibres as sole reinforcement is limited in engineering practice to few applications (e. g. coverage of stresses due to constraints). In addition, it is hardly possible to obtain strain hardening after first crack formation with fibre contents commonly used for normal strength concretes. However, if steel fibre reinforcement is used in combination with bar reinforcement, the advantages of both components are additive in the composite material. Especially for enhanced requirements concerning the crack width (order of magnitude: 0.1 mm), with combined reinforcement of rebars and fibres an essential improvement compared to reinforced concrete can be achieved. In part 1 of this contribution the mechanical relationships required for the understanding of the different behaviours of the two reinforcing elements “rebars” and “fibres” have been presented. In part 2 the derived relationships are validated on the basis of experimental investigations on tensile members with combined reinforcement made of ultra‐high‐performance concrete (UHPC). For UHPC the topic is of special interest, because fibres are added to these concretes generally to improve ductility. The crack width control with combined reinforcement is furthermore illustrated by means of two examples.     

Querschnittsberechnung von Stahlbetonstäben

Viele Tragwerke aus Stahlbeton lassen sich mit Hilfe von Stabelementen berechnen. Die Einfachheit der Anwendung eines Stabelements steht im Kontrast zur Komplexität der mechanischen und mathematischen Formulierung. Die gesamte Information des realen Stabkontinuums muss auf ein linienförmiges Element projiziert werden. Dies ist insbesondere bei einer nichtlinearen Berechnung eine große Herausforderung. Gilt die Erfassung der geometrischen Nichtlinearität als gelöst, existiert für die materielle Nichtlinearität bislang noch kein etabliertes, allgemein anerkanntes Verfahren für räumliche Stäbe aus Stahlbeton. Die materielle Nichtlinearität wird im Rahmen der Stabtheorie auf Querschnittsebene erfasst. In einer Querschnittsberechnung wird der Spannungs‐ und Dehnungszustand korrespondierend zu den Schnittgrößen bestimmt. Die Grundidee des hybriden Modells ist die Aufteilung des Querschnitts in Bereiche mit einaxialen bzw. zweiaxialen Spannungs‐ und Dehnungszuständen. Der zweiaxiale Bereich wird durch Membranelemente modelliert und beteiligt sich am Abtrag aller sechs Schnittgrößen, während sich der einaxiale auf die beiden Biegemomente und die Normalkraft beschränkt. Cross‐Sectional Analysis of Reinforced Concrete Beams – A Hybrid Approach Many reinforced concrete structures can be analysed using beam elements. The simplicity of the application of beam elements contrasts the complexity of the mechanical and mathematical formulation. The whole information of the beam continuum has to be projected on an one‐dimensional element. Especially regarding a non‐linear analysis this is a big challenge. The geometrical nonlinearity is regarded as solved. Considering material nonlinearity, however, no established, generally accepted model for spatial reinforced concrete beam elements exists so far. Within beam theory, the material nonlinearity is captured on cross‐sectional level. In a cross‐sectional analysis, the stress and strain state corresponding to sectional forces is determined. The hybrid approach is based on dividing the cross section in areas with uniaxial and biaxial stress and strain states. The biaxial area is modelled by membrane elements and contributes to all six sectional forces. The uniaxial area is restricted to normal force and bending moments.