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Tensile behavior of high-performance cement-based composites with hybrid reinforcement subjected to quasi-static and impact loading

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[Quelle: https://www.qucosa.de]

Hochduktile Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) und Textilbetone (engl.: Textile Reinforced Concrete – TRC) sind zwei neuartige Faserbetone, die ein duktiles und dehnungsverfestigendes Zugverhalten aufweisen. SHCC bestehen aus feinkörnigen Zementmatrizen und kurzen Hochleistungspolymerfasern, während TRC eine Kombination aus feinkörnigen Zementmatrizen und kontinuierlichen zwei- oder dreidimensionalen Textilschichten darstellt. Letztere bestehen aus Multifilamentgarnen aus Kohlenstoff, alkalibeständigem Glas oder Polymerfasern. Die hohe elastische Verformbarkeit beider Verbundwerkstoffe bis zum Erreichen der Zugfestigkeit entsteht aus der sukzessiven Bildung multipler feiner Risse. Neben der hervorragenden Risskontrolle und Duktilität weisen diese Verbundwerkstoffe ein hohes Energieabsorptionsvermögen auf, was in Bezug auf kurzzeitdynamische Belastungen eine durchaus erstrebenswerte Eigenschaft darstellt. Obwohl SHCC eine höhere Dehnungskapazität als herkömmliche TRC zeigen, weisen die Textilbetone eine erheblich höhere Zugfestigkeit auf. Darüber hinaus besitzen die textilbewehrten Betone deutlich niedrigere Einflüsse von Anwendungstechnologie und Maßstab auf das Zugverhalten, d. h. eine bessere Robustheit. Daher stellt die Kombination dieser beiden Bewehrungskonzepte einen vielversprechenden Ansatz dar. Während die Kurzfasern für eine bessere Risskontrolle und Erstrissfestigkeit sorgen, sichern die Textilgelege eine hohe Zugfestigkeit sowie Steifigkeit im gerissenen Zustand und eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte in der Verstärkungsschicht bzw. im Bauteil. Dieser synergetische Effekt kann jedoch nur durch eine zielgerichtete Materialentwicklung erreicht werden, die eine grundlegende Materialcharakterisierung unter verschiedenen Belastungsszenarien erfordert. Im Rahmen des DFG-finanzierten Graduiertenkollegs GRK 2250 „Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite“ werden duktile und Impakt resistente Komposite entwickelt, charakterisiert und erprobt, die als dünne Verstärkungsschichten auf bestehende Konstruktionen bzw. Bauelemente aufgetragen werden und dadurch deren Widerstandsfähigkeit und Resilienz gegen extreme kurzzeitdynamische Beanspruchungen signifikant erhöhen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des A3-Projektes innerhalb des GRK 2250/1 erzielt. Ziel dieser Arbeit war es, die grundlegenden mechanischen Eigenschaften und die Dehnratenabhängigkeit von mineralisch gebundenen Kompositen mit hybrider Faserbewehrung zu erfassen und zu beschreiben. Das Forschungskonzept besteht aus systematischen und parametrischen Untersuchungen der einzelnen Komponenten (Faser, Textil, zementgebundene Matrix), ihres Verbundes und der entsprechenden Verbundwerkstoffe. Hierfür wurden zweckbestimmte Prüfkonfigurationen und dreidimensionale Messverfahren angewandt, die in anderen Projekten des GRK 2250/1 entwickelt wurden. Außer uniaxialen, quasistatischen und dynamischen Zugversuchen wurden quasistatische und dynamische Einzelgarnauszugsversuche durchgeführt. Die wichtigsten untersuchten Materialparameter waren die Art der Kurzfaserbewehrung und der Textilien (Material, geometrische und Oberflächeneigenschaften, Art der Tränkung usw.). Auf Basis der mechanischen Experimente wurde ein analytisches Modell eingesetzt und angepasst, dass das Zugverhalten solcher Komposite in Abhängigkeit von verschiedenen Materialparametern abbilden soll. Zusätzlich zu der detaillierten Beschreibung der Materialeigenschaften, der maßgebenden Mechanismen und synergetischen Effekte bilden die erzielten Ergebnisse eine umfangreiche experimentelle Basis für eine empirische und Modell gestützte Weiterentwicklung und Optimierung dieser Verbundwerkstoffe mit Hinblick auf wirtschaftliche und ökonomische Aspekte.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Bernhard Wietek
Beton - Stahlbeton - Faserbeton
Eigenschaften und Unterschiede
2019, v, 41 S., 8 SW-Abb., 28 Farbabb., 28 Farbtabellen. 240 mm, Softcover
Springer

 

 

Beton, Stahlbeton und Faserbeton sind Baustoffe, die nacheinander in großen Zeitabständen entwickelt wurden. Auf Grund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung haben sie voneinander sehr abweichende Eigenschaften, die bei jeder Anwendung auch berücksichtigt werden sollten. Diese müssen beobachtet und auch messtechnisch festgehalten werden, denn sie entscheiden über die Gebrauchszeit eines Bauwerkes. Gerade durch unterschiedliche Formen und auch Umwelteinflüsse wird diese Gebrauchszeit sehr stark beeinflusst. Es wird in einer abschließenden Tabelle dieser Zusammenhang aufgezeigt.

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HPFRCC-7
Proceedings of the 7th RILEM Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cement Composites
2015, 536 S., num. figs. and tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zementgebundene Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe (engl. High Performance Fiber Reinforced Cement Composites, HPFRCC) stellen eine Klasse von Zementkompositen dar, die dehnungsverfestigend sind, eine hohe Bruchdehnung aufweisen und vor Erreichen der Höchstlast zahlreiche Risse zeigen. Neben dieser mechanischen Definition können weitere Merkmale Höchstleistung charakterisieren, wie z. B. gute Verarbeitbarkeit, Dauerhaftigkeit und Robustheit. Der Hauptanlass dieses internationalen Workshops war, eine hochkarätige Plattform für neueste Ergebnisse und Entwicklungen auf dem Gebiet von HPFRCC zu schaffen. Über 60 Beiträge von leitenden Weltexperten sind in dem Band vertreten, die den Stand der Forschung wiedergeben. Einzelkapitel betreffen den frischen und erhärtenden Zustand, selbstverdichtende Komposite, interne Nachbehandlung und Selbstheilung, mechanisches Verhalten unter Zug, Druck und Schub, kombinierte Wirkungen von Last und Klima, Ermüdung, Impact, Brand, konstruktive Anwendungen, Verstärkung. Einige Beiträge befassen sich auch mit Textilbeton und Höchstleistungskompositen.

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Bernhard Wietek
Stahlfaserbeton
Praxis
2., überarb. Aufl.
2010, xiii, 269 S., 26 Tabellen. 24 cm, Hardcover
Vieweg+Teubner

 

 

Der Verbundbaustoff Stahlfaserbeton ist die jüngste Kombination zwischen Beton und Stahl im konstruktiven Ingenieurbau. Nachdem Stahlbeton und Spannbeton in der Praxis bereits verstärkt angenommen werden, hat auch der Stahlfaserbeton eine anwendungsreiche Zukunft vor sich. Der Autor erläutert hierzu die grundlegenden Eigenschaften der Einzelteile des Stahlfaserbetons. Dabei findet die notwendige Zusammensetzung der Bestandteile besondere Beachtung. Zahlreiche Beispiele erklären eine praxisnahe Anwendung. Aus dem Inhalt: - Baustoff - Verarbeitung - Materialkennwerte - Bemessungsverfahren - Bemessungstheorie - Bemessungsanwendung - Beilagen - Berechnung mit Tabellenkalkulation.

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Harald Schorn
Faserbetone für Tragwerke
Edition Detail
2010, 203 S., m. zahlr. Abb., Zeichn. u. Tab. 23,5 cm, Hardcover
VBT Verlag Bau u. Technik

 

 

Sind Faserbetone wirklich lngenieurbaustoffe? Dies behandelt der Autor vor dem Hintergrund eines breiten Wissens, das er in langjähriger Forschungs- und Fachgremientätigkeit erarbeitet und zusammengetragen hat. Damit wird erstmalig eine Gesamtschau möglich, die es bisher in dieser Form nicht gibt. Es werden dabei nicht nur die Arten von Faserbetonen vorgestellt, es wird auch die enge baustoffliche Verzahnung der Faserbetone mit Bauprodukten aus Faserzement und aus Textilbeton aufgezeigt. Die Erläuterung von beanspruchungsbedingten Wirkungsmechanismen ist ein besonderes Anliegen des Verfassers. Dabei ist vor allem die Fähigkeit von Fasern, Risse kräfteleitend zu überbrücken, von vorrangigem Interesse. Zwar sind diese Mechanismen bei Kurzfasern von denjenigen der bekannten Bewehrungswirkung signifikant verschieden; dennoch ist es unter bestimmten einschränkenden Bedingungen regelwerkskonform möglich, Fasern so zu behandeln, als seien sie ein konventioneller Bewehrungsbestandteil. Die Gründe dafür findet man aufgrund von Kenntnissen über betontypische Rissbildungs- und Rissöffnungsvorgänge. die vom Mikroriss zum Makroriss führen - und zwar bei Betonen generell, nicht nur bei faserhaltigen Betonen. Der Verfasser legt dies auf Grundlage von einschlägigen Forschungsergebnissen dar. Er erklärt damit die Möglichkeiten im heutigen technischen Regelwerk, die Wirksamkeit von Fasern in Faserbetonen mittels einfacher Materialprüfungen nachzuweisen und Klassifizierungen für diese Baustoffe herzuleiten. Europäische und nationale Normen nehmen sich der Faserbetone zurzeit noch eher zögerlich an. Zwar gibt es einige Normen sowie einige nationale Merkblätter und Richtlinien. Ein geschlossenes Regelwerk zu Faserbetonen fehlt allerdings noch weitgehend. Das Buch will dazu beitragen, diesem Mangel entgegenzuwirken und das Verständnis von Planern und von Betontechnologen für Faserbetone zu fördern - ein simples Rezeptbuch ist es nicht.

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Torsten Römer
Verstärkung von Betonbauteilen durch duktile Hochleistungswerkstoffe
Akademische Schriftenreihe, Band V3312
4., Aufl. 2007
2007, 116 S., 210 mm, Softcover
GRIN Verlag

 

 

Aufgabe der Arbeit war es, grundlegende Berechnungen durchzuführen, die Aufschluss über einen möglichen Einsatz von Hochleistungsbeton als Druckzonenergänzung nachträglich verstärkter Stahlbetonquerschnitte geben. Ausschlaggebend für diese Untersuchungen waren die Erfolge mit Hochleistungsbeton bei druckbeanspruchten Bauelementen. Der Einsatz von Stahl- und Polypropylenfasern ermöglicht eine weitere Ausnutzung der hohen Tragkapazitäten des Betons. So ist es mittels dieses sogenannten Fasercocktails möglich, hochfestem Beton ein duktileres Versagensbild zu verleihen. Er versagt nicht mehr spröde, sondern der Bruch kündigt sich unter wachsender Zunahme der Verformungen und durch Rissbildung an.

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Forschungsberichte

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Oliver Fischer, Dirk Volkmer, Philipp Lauff, Manuel Hambach, Matthias Rutzen
Zementgebundener kohlenstofffaserverstärkter Hochleistungswerkstoff (Carbonkurzfaserbeton)
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3178
2019, 109 S., 69 Abb. u. 29 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Seit längerem gibt es intensive Bestrebungen, den volkswirtschaftlich außerordentlich bedeutsamen Verbundwerkstoff Stahlbeton weiterzuentwickeln und dazu vor allem die Zugfestigkeit von Beton zu erhöhen. Mit dem an der Universität Augsburg entwickelten Herstellungsverfahren, bei dem die Ausrichtung beigemischter Kohlenstofffasern durch eine Düse gezielt eingestellt werden kann, ist es gelungen, mit handelsüblichen Ausgangsstoffen und im Grunde praxisgerechten Verfahren eine signifikante Erhöhung des Verhältniswertes von Zug- und Druckfestigkeit bei Zementsteinproben zu erreichen. In den Untersuchungen zur Materialentwicklung konnte gezeigt werden, dass die hohen Festigkeiten der faserverstärkten Prüfkörper auch mit kürzeren Fasern erreicht werden können und somit besser verarbeitbare Mörtel gleicher Festigkeit herstellbar sind. Ein sowohl preisliches als auch in der Ökobilanz günstigeres System konnte ohne Festigkeitsverlust realisiert werden, indem teure neuwertige Fasern durch günstigere Recyclingprodukte ersetzt wurden.

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Oliver Fischer, Nicholas Schramm, Jörg Jungwirth
Nachhaltiges Bauen mit vorgespannten Tragelementen aus ultrahochfestem Beton (UHPC); Anwendung für Parkhäuser. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3104
2018, 332 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ultrahochfester faserbewehrter Beton birgt sowohl in wirtschaftlicher als auch in ökologischer Hinsicht große Potentiale für den Fertigteilbau. Mit Hilfe dieses innovativen Werkstoffs können gegenüber üblichen Betonbauweisen der Ressourcenverbrauch und die Eigenlasten deutlich reduziert werden, während sich gleichzeitig die Dauerhaftigkeit erhöht. Der Parkhausbau stellt somit ein ideales Anwendungsgebiet für den vielversprechenden Werkstoff dar. Mit dem Forschungsvorhaben konnten die Vorteile von ultrahochfestem faserbewehrten Beton, wie z.B. die exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften sowie die Reduktion von Eigengewicht, für eine Anwendung im Parkhausbau aufgezeigt werden. Das entwickelte Tragsystem aus vorgespannten Längsträgern und filigranen Plattenelementen weißt dabei, bei gleichbleibender Tragfähigkeit, extrem geringe Querschnittsabmessungen auf. Dadurch und aufgrund des entwickelten Fügeprinzips ohne Anschlussbewehrung und Beschichtungen ergäben sich erhebliche Vorteile bei der Verlegung. Aufgrund der exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften kann auf jegliche (im Parkhausbau übliche) Beschichtungen verzichtet werden.

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Jürgen Schnell, Florian P. Ackermann
Innovative Verbunddeckensysteme mit stahlfaserbewehrten Betonen
Bau- und Wohnforschung, Band F 2531
2009, 250 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Konventionelle Stahl-Verbunddecken haben sich als eine äußerst rationelle und kostengünstige Deckenvariante im Industrie- und Hochbau etabliert. Die wesentlichen Vorteile liegen in den niedrigen Baukosten und vor allem in der Zeitersparnis während des Herstellungsprozesses. An der Technischen Universität Kaiserslautern wurden in der Vegangenheit zahlreiche Versuche und Forschungsvorhaben im Bereich des Stahl-Verbundbaus realisiert. Aufbauend auf diesen Untersuchungen entstand die Idee, die konventionelle Bewehrung bei Verbunddecken durch den Einsatz von Stahlfaserbeton zu reduzieren bzw. komplett zu ersetzen. Durch diese Substitution ergibt sich ein großes Einsparpotenzial. So entfallen sämtliche die Bewehrung betreffenden Arbeiten. Dementsprechend werden auch Bewehrungspläne und eine Abnahme der Bewehrung auf der Baustelle, die häufig zu Verzögerungen führt, überflüssig. Auch das arbeits- und zeitintensive Zuschneiden und Verlegen der Bewehrung kann so entfallen. Hierdurch können ein enormer Zeitvorteil und damit eine kürzere Bauzeit und somit Kosteneinsparungen erreicht werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einfeldrigen und durchlaufenden stahlfaserbewehrten Verbunddecken durchgeführt. In den Versuchen wurden einzelne Parameter variiert. So wurden u.a. unterschiedliche Deckenstärken, unterschiedliche Profilblechgeometrien sowie unterschiedliche Stahlfaserbetonmischungen untersucht. Für die Berechnung und Bemessung werden die im Verbundbau üblichen Nachweisverfahren aufgegriffen und modifiziert. Die Traganteile des Stahlfaserbetons werden über den Ansatz von Spannungsblöcken implementiert. Für die einzelnen Nachweise wurden in Parameterstudien Bemessungsdiagramme und -tabellen erstellt. Es werden zwei mögliche Bemessungsmodelle entwickelt, mit denen die Tragfähigkeit von stahlfaserbewehrten Verbunddecken nachgewiesen werden kann. Dabei kann der Nachweis entweder nach den Verfahren Elastisch-Plastisch oder Plastisch-Plastisch erfolgen.

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Frank Schuler, Tetyana Sych
Analyse der Faserorientierung in Betonen mit Hilfe der Computer-Tomographie
Bauforschung, Band T 3218
2009, 78 S., 48 Abb., 32 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Für die Festbetoneigenschaften von Faserbetonen sind die Fasermenge, Faserorientierung und Faserverteilung ausschlaggebend. Dies macht eine Überwachung dieser Parameter notwendig, sei es zur Qualitätssicherung auf der Baustelle oder im Bereich der Forschung zur Weiterentwicklung solcher Betone. Ziel des vom Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins finanzierten Forschungsprojektes war es, Tomographiebilder von faserverstärkten Betonproben so erzeugen und auswerten zu können, dass eine Analyse der Faserverteilung, Faserausrichtung und des Faservolumens möglich wird. Hierzu wurden Probekörper unterschiedlicher Geometrie aus Faserbetonen (stahlfaserverstärkte ultrahochfeste Betone, Textilbetone, hochduktile Betone mit Polyvinylalkohol-Fasern, u. a.) hergestellt bzw. aus Bauteilen entnommen und tomographiert. In zusätzliche Versuchen sollten die Ergebnisse der CT-Analyse mit dem an der TU Braunschweig in Zusammenarbeit mit der Firma Hertz-Messtechnik entwickelten Verfahren (Messgerät BSM 100), das die ferromagnetischen Eigenschaften der Stahlfasern nutzt, verglichen werden.

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J. Hundt
Europäische Harmonisierung der Anforderungen an Faserzementplatten im Zulassungsbereich. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2470
1992, 47 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Substitution der Asbestfaser durch andere Fasern, insbesondere in Plattenprodukten, wirft die Frage der Brauchbarkeit dieser Produkte auf Dauer auf. In der Bundesrepublik Deutschland ist die Entwicklung solcher Produkte weit fortgeschritten. Es ist deshalb sinnvoll, diese sehr wesentlich in Zulassungsverfahren gewonnenen Erkenntnisse in die internationale Harmonisierung einzubringen. Solche Arbeiten werden seit einiger Zeit durchgeführt bei ISO/TC 77 "Faserzementprodukte", CEN/TC 128 "Dachdeckungsprodukte" und bei UEAtc (Richtlinie zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Faserzementprodukten). Diese Arbeiten insgesamt werden entweder vornormativ (ISO, UEAtc), teilbereichsregelnd (UEAtc) oder zusammenfassend (CEN) letztlich zu einer europäischen Regel führen (Zulassungsrichtlinie, Europäische Norm oder Kombination von beiden). Alle drei Aktivitäten erfolgen z.Zt. nur unzureichend koordiniert, was insbesondere durch die deutsche Mitarbeit mit jeweils gleichem Lösungskonzept behoben werden soll. Das deutsche Lösungskonzept berücksichtigt insbesondere die deutsche Zulassungsrichtlinie. (-z-)

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Zeitschriftenartikel

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Mark, Peter; Oettel, Vincent; Look, Katharina; Empelmann, Martin
Neuauflage DAfStb?Richtlinie Stahlfaserbeton
Beton- und Stahlbetonbau, 2021

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Abellán Garcia, Joaquin
Ein Überblick auf Entwicklung und Anwendung von UHFB in Kolumbien. Teil 2: Anwendungen und Fallstudien
BWI - BetonWerk International, 2021

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Olipitz, Michael
Zukunftsweisendes Bausystem aus UHPC-Fertigteilen und CO2-Einsparungspotenziale im Sinne des hoch 5 C-Approach. Nachhaltiges Bauen und CO2-Einsparung
BWI - BetonWerk International, 2021

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Wiemer, Niels; WetzeI, Alexander; Middendor, Bernhard
Hitzebeständiger hochfester Faserbeton für die Anwendung im Hochtemperaturbereich. Erhöhte Stabilität bei thermischer Belastung durch Celluloseregeneratfasern
BWI - BetonWerk International, 2021

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Oettel, V.; Lanwer, J.-P.; Empelmann, Martin
Auszugverhalten von Mikrostahlfasern aus UHPC unter monoton steigender und zyklischer Belastung
Bauingenieur, 2021

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