Forschung und Entwicklung 01.09.2017, 00:00 Uhr

Prüfkonzept zur Untersuchung des Dauerstandverhaltens von textilbewehrtem Beton

Zur Sicherstellung der Tragfähigkeit innerhalb der Lebensdauer von Bauteilen sind neben der Bemessung für Kurzzeitbelastungen auch ausreichende Kenntnisse zum Dauerstandverhalten erforderlich. Dies gilt insbesondere auch für den Textilbeton, der im Vergleich zu Stahlbeton eine deutlich längere Lebensdauer aufweisen soll.

 

 

Foto: PantherMedia / tiero

Das Dauerstandverhalten wird in der Regel durch die Dauerstandfestigkeit der verwendeten Werkstoffe charakterisiert, die unter anderem durch die Spannung, die Temperatur, die Feuchtigkeit und den pH-Wert (Alkalität) beeinflusst wird. Zur Untersuchung des Dauerstandverhaltens von textilbewehrtem Beton existieren zum aktuellen Zeitpunkt keine Prüfnormen. Im ersten Teil des Beitrags wird auf der Basis vorhandener Regelwerke und Prüfkonzepte für FVK-Bewehrungen, zu denen Untersuchungen zum Kriechverhalten, zur Alkaliresistenz und Dauerstandfestigkeit existieren, ein Prüfkonzept für den Textilbeton abgeleitet. Damit wird im zweiten Teil ein Versuchsaufbau vorgestellt und ein Vorschlag zum erforderlichen Prüfumfang zur Ermittlung der Dauerstandfestigkeit von Textilbeton gemacht. Mit den Ergebnissen soll die innerhalb der geplanten Nutzungsdauer eines Bauteils ansetzbare Textilspannung festgelegt werden.

1 Einleitung

In den letzten Jahren wurden verschiedene Forschungsprojekte zur Untersuchung des Tragverhaltens von textilbewehrten und –verstärkten Betonbauteilen an klein- und großformatigen Probekörpern durchgeführt [1], [2], [3], [4], [5] und Bauprojekte mit textiler Bewehrung, darunter Fassaden, Sandwichelemente, Schalen und Brücken realisiert [6], [7], [8], [9], [10], [11]. Insbesondere bei Bauteilen und Bauwerken im bewitterten Außenbereich ist die Verwendung von korrosionsbeständiger textiler Bewehrung vorteilhaft [12], [13].

Bei diesen Bauobjekten wurde zur Erfassung des Dauerstandverhaltens ein konservativer Abminderungsfaktor angesetzt, da keine abgesicherten Angaben zur Dauerstandfestigkeit vorlagen. Zur Festlegung von Dauerstandfestigkeiten von nicht-metallischen Bewehrungen in Beton sind weder Prüfkonzepte noch Versuchsaufbauten in Regelwerken festgelegt, weiterhin fehlen die dazu notwendigen Nachweismodelle. Aus diesem Grund sind umfassende Forschungen zum Dauerstandverhalten von AR-Glas- und Carbonbewehrungen im Betonbau erforderlich.

Die Dauerstandfestigkeit beschreibt eine konstante Spannung, die über einen definierten Zeitraum aufgebracht werden kann, ohne dass ein Versagen auftritt. Die Angabe der Dauerstandfestigkeit erfolgt daher in Abhängigkeit der Zeit und kann durch den Quotienten aus Dauerstandfestigkeit am Ende der Nutzungsdauer und Kurzzeitfestigkeit als Abminderungsfaktor angegeben werden. Anders als die Dauerhaftigkeit, welche die Langlebigkeit der Textilien im Beton untersucht, berücksichtigt die Dauerstandfestigkeit den Einfluss der im Bewehrungselement wirkenden Spannung. Neben der Spannung hängt die Dauerstandfestigkeit im Wesentlichen von der Temperatur, der Feuchtigkeit, dem pH-Wert [14] und dem Filamentmaterial (Carbon, Glas, Basalt) sowie gegebenenfalls von der Betonzusammensetzung ab [15]. Die Auswirkungen der einzelnen Parameter lassen sich zum aktuellen Zeitpunkt nur schwer festlegen, da im Bauwerk eine Kombination der Einwirkungen vorliegt.

Zur Ermittlung der Dauerstandfestigkeit müssen die Versuchskörper innerhalb der Versuchsdauer künstlich gealtert werden, da es nicht möglich ist, die Versuche über eine komplette Lebensdauer zu prüfen. Diese künstliche Alterung der Versuchskörper wird im Wesentlichen über die drei Faktoren Temperatur, Spannung und Feuchtigkeit erreicht [16]. Die Festlegung der Dauerstandfestigkeit erfolgt dann über eine Extrapolation der Untersuchungsergebnisse für die geplante Lebensdauer auf Basis einer statistischen Prognose.

Ein Prüfkonzept zur Untersuchung des Dauerstandverhaltens von Faserverbundkunststoff (FVK)-Stäben liegt zum aktuellen Zeitpunkt nur in [14] vor. In verschiedenen Richtlinien und Normen [17], [18], [19], [20] finden sich aber Angaben zur Untersuchung des Kriechverhaltens und der alkalischen Resistenz. Die Dauerstandfestigkeit stellt aber eine Kombination aus beiden Verfahren dar, sodass ein Prüfkonzept bereitgestellt werden muss, das beide Aspekte berücksichtigt. Das Vorgehen für FVK-Stäbe nach [14] und [17], [18], [19], [20] wird in Abschnitt 3 vorgestellt. Darauf aufbauend wird in Abschnitt 4 ein neuer Vorschlag zur Untersuchung der Dauerstandfestigkeit für eine nicht-metallische Bewehrung im Betonbau präsentiert.

2 Einflüsse auf die Dauerstandfestigkeit

Die Faktoren Temperatur, Spannung und Feuchtigkeit haben einen wesentlichen Einfluss auf die Dauerstandfestigkeit. Weiterhin sind das Fasermaterial, der pH-Wert und die Querschnittsfläche als Einflussgrößen zu benennen. Eine Zugbeanspruchung verursacht Mikrorisse im Tränkungsmaterial, was das Angriffspotenzial auf die Textilfasern vergrößern kann. Neben dem Wasser werden im Beton befindliche Alkalien und andere Stoffe eingetragen, die die Dauerstandfestigkeit beeinflussen können [21]. Allgemein gilt, dass der Zeitraum bis zum Versagen der Bewehrungstextilien mit größerer Spannung abnimmt.

Die Temperatur beeinflusst entscheidend die Geschwindigkeit der ablaufenden chemischen Reaktionen. Mit steigender Temperatur nimmt der Energielevel zu und die Reaktionen laufen schneller ab [22]. Dies führt zu einer beschleunigten Alterung und zu einem früheren Versagen, was die Prüfzeiten verkürzt. Bei den Versuchsergebnissen ist zu berücksichtigen, dass sich die Dauerstandfestigkeit von Innen- und Außenbauteilen deutlich unterscheidet. Während es bei Außenbauteilen zu einer Beregnung und damit einer wechselnden Feuchtigkeit im Beton kommt, ist der Feuchtigkeitsgehalt im Beton von Innenbauteilen gering und ändert sich nur unwesentlich. Wird ein bestimmter Feuchtigkeitsgehalt überschritten [23], reduziert dies die Dauerstandfestigkeit. Die Feuchtigkeit und das Wasser können zum Beispiel Alkalien aus dem Beton auswaschen und zur Bewehrung oder bei einer Schädigung der Tränkung zu den Fasern transportieren.

Der pH-Wert des Betons ist sowohl im Stahlbetonbau als auch im Textilbetonbau, vor allem für Glasfasern, von hoher Wichtigkeit. Während die Stahlbewehrung durch das alkalische Milieu im Beton geschützt wird, kommt es im Textilbetonbau bei einem Eintrag von Alkalien in Kombination mit Wasser zu einer Schädigung der Struktur der Glasfasern und damit zu Festigkeitsverlusten [24]. Hochfeste Betone, wie sie im Textilbetonbau eingesetzt werden, sind aufgrund des hohen Zementgehalts stark basisch, ihr pH-Wert liegt in der Regel zwischen 13 und 14. Die in der Betonporenlösung befindlichen OH-Ionen sind für den pH-Wert des Betons verantwortlich und führen bei einem Kontakt mit den Glasfasern zur Zerstörung des Netzwerks der Fasern [25]. Carbonfasern werden von den Alkalien nicht angegriffen, jedoch kann es zu Schädigungen der Tränkung und dadurch ebenso zu Festigkeitsverlusten kommen.

 

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
Bauingenieur 9.2017, Seite 364-369

 

Literatur

[1] Rempel, S.; Kulas, C.: Biegetragverhalten getränkter Bewehrungselemente für Betonbauteile. In: Bauingenieur 90 (2015), Heft 6, S. 248–251.

[2] Hegger, J.; Voss, S.: Investigation of the bearing behavior and application potential of Textile Reinforced Concrete. In: Engineering Structures, Vol. 30 (2008), pp. 2050–2056.

[3] Hegger, J.; Horstmann, M.; Voss, S.; Will, N.: Textilbewehrter Beton: Tragverhalten, Bemessung und Anwendung. In: Beton- und Stahlbetonbau 102 (2007), Heft 6, S. 362–370.

[4] Hegger, J.; Will, N.; Bruckermann, O.; Voss, S.: Load-bearing behaviour and simulation of textile reinforced concrete. In: Materials and Structures, Vol. 39 (2006), Iss. 8, pp. 765–776.

[5] Herbrand, M.; Classen, M.; Hegger, J.: Querkraftversuche an Spannbetonträgern mit carbontextilbewehrter Spritzmörtelverstärkung unter zyklischer Beanspruchung. In: Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016), Heft 9, S. 576–587.

[6] Barhum, R.; Bullesbach, J.; Müller, A.: Textilbeton zur Instandsetzung von Balkonbrüstungsplatten aus Stahlbeton. In: Bauingenieur 90 (2015), Heft 6, S. 241–247.

[7] Shams, A.; Hegger, J.; Horstmann, M.: An analytical model for sandwich panels made of textile-reinforced concrete. In: Construction and Building Materials, Vol. 64 (2014); pp. 451–459.

[8] Sharei, E.; Scholzen, A.; Hegger, J.; Chudoba, R.: Structural behavior of a lightweight, textile-reinforced concrete barrel vault shell. In: Composite Structures, Vol. 171 (2017), pp. 505–514.

[9] Scholzen, A.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Dünnwandiges Schalentragwerk aus textilbewehrtem Beton: Entwurf, Bemessung und baupraktische Umsetzung. In: Beton- und Stahlbetonbau 107 (2012), Heft 11, S. 767–776.

[10] Hegger, J.; Kulas, C.; Raupach, M.; Büttner, T.: Tragverhalten und Dauerhaftigkeit einer schlanken Textilbetonbrücke. In: Beton- und Stahlbetonbau 106 (2011), Heft 2, S. 72–80.

[11] Hegger, J.; Herbrand, M.; Stark, A.; Classen, M.: Betonbau der Zukunft: leicht, filigran und nachhaltig. In: Bauingenieur 90 (2015), Heft 7/8, S. 337–344.

[12] Forstlechner, F. X.; Holl, J.; Fischer, Ch.; Peters, St.; Heinrich, L.: Entwicklung einer frei geformten Schwimminsel aus textilbewehrtem Beton. In: Bauingenieur 89 (2014), Heft 3, S. 134–144.

[13] Kromoser, B.; Ritt, M.: Optimierte Formen aus Textilbeton am Beispiel der Grillmöbel „Donauwelle“. In: Bauingenieur 91 (2016), Heft 10, S. 425–433.

[14] Weber, A.; Baquero, C. W.: New durability concept for FRP reinforcing bars. In: Concrete International, Vol. 32 (2010), Iss. 7, pp. 49–53.

[15] Butler, M.; Mechtcherine V.; Hempel, S.: Durability of textile reinforced concrete made with AR glass fibre: effect of the matrix composition. In: Materials and Structures, Vol. 43 (2010), Iss. 10, pp. 1351–1368.

[16] Chen, Y.; Davalos, J.F.; Ray, I.: Durability Prediction for GFRP Reinforcing Bars Using Short-Term Data of Accelerated Aging Tests. In: Journal of composites for construction, Vol. 10 (2006), Iss. 4, pp. 279–286.

[17] ASTM D7337/D7337M-12: Standard Test Method for Tensile Creep Rupture of Fibre Reinforced Polymer Matrix Composite Bars, 2012.

[18] Canadian Standards Association CSA S806–12: Design and construction of building structures with fibre-reinforced polymers, 2012.

[19] ISO 10406–1: Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete – Test methods – Part 1: FRP bars and grids. Second Edition, January 2015.

[20] American Concrete Institute ACI 440.3R-12: Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites for Reinforcing or Strengthening Concrete and Masonry Structures, August 2012.

[21] Micelli, F.; Nanni, A.: Durability of FRP rods for concrete structures. In: Construction and Building Materials, Vol. 18 (2004), pp. 491–503.

[22] Litherland, K.L.; Oakley, D.R.; Proctor, B.A., J.: The use of accelerated ageing procedures to predict the long term strength of GRC composites. In: Cement and Concrete Research, Vol. 11 (1981), pp. 455–466.

[23] Orlowsky, J.; Raupach, M.: Durability model for AR-glass fibres in textile reinforced concrete. In: Materials and Structures, Vol. 41 (2008), pp. 1225–1233.

[24] Büttner, T.; Raupach, M..: Dauerhaftigkeit polymergetränkter AR-Glas-Bewehrungen in Beton – Materialauswahl und Lebensdauerprognose. In: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), S. 22–33.

[25] Majumdar, A.J.; Laws, V.: Glass Fibre Reinforced Cement. BSP Professional Books, Oxford, 1991.

[26] fib task Group 9.3: FRP reinforcement in RC structures – Technical report prepared by working party of task Group 9.3. In: fib bulletin 40, September 2007.

[27] DIN 53768: Extrapolationsverfahren für die Bestimmung des Langzeitversagensverhaltens von glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK), 1990.

[28] Bank, L. C.; Gentry, T. R.; Thompson, B. P.; Russell, J. S.: A model specification for FRP composites for civil engineering structures. In: Construction and Building Materials, Vol. 17 (2003), pp. 405–437.

[29] Chateauminois, A.; Chabert, B.; Soulier, J. P.; Vincent, L.: Dynamic Mechanical Analysis of Epoxy Composites Plasticized by Water: Artifact and Reality. In: Polymer Composites, Vol. 16 (1995), Iss. 4, pp. 288–296.

Von Arne Spelter, Dipl-Ing. Sergej Rempel , Dr.-Ing. Norbert Will und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger

Arne Spelter, M.Sc. aspelter@imb.rwth-aachen.de

Dipl-Ing. Sergej Rempel srempel@imb.rwth-aachen.de

Dr.-Ing. Norbert Will nwill@imb.rwth-aachen.de

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger heg@imb.rwth-aachen.deInstitut für Massivbau, RWTH Aachen Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52074 Aachen

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