Résumé

Dieser Bericht zeigt die Resultate einer Eignungsprüfung von verschiedenen theoretischen Ansätzen für die Bemessung der Biegeverstärkung von Fahrbahnplatten mit sogenanntem textilbewehrtem Feinkornbeton («Textilbeton») im Grenzzustand der Tragsicherheit. Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff, der die hohe Zugfestigkeit von Kunstfasertextilien mit der Verbundwirkung und dem mechanischen und thermischen Schutz von Feinkornbeton (d.h. Zementmörteln) vereint. Neben seiner Anwendung in der Herstellung von neuen Bauteilen wird Textilbeton auch als Verstärkungsmassnahme für bestehende Bauteile aus Stahlbeton eingesetzt. In dieser Anwendung basieren die am häufigsten verwendeten Textilien auf Carbon-, Basalt- oder PBO-Fasern (Poly-Phenylen-2,6-Benzobisoxazol, auch bekannt als Zylon), seltener werden auch Glasfaserbasierte Textilien eingesetzt. Solche Fasern werden mittels Kunstharz (meist Epoxy) in hochfesten Garnen gebündelt, welche zu Textilien verwoben werden, die für die Anwendung im Neubau und in Verstärkungen i.d.R. als Bewehrungsgitter eingesetzt werden. Die geometrischen Eigenschaften der Textilgitter variieren stark von Anbieter zu Anbieter. Der Garnabstand ist üblicherweise zwischen 10 mm und 40 mm, kann aber auch nur 5 mm betragen. Die Garne haben elliptische bis runde Querschnitte mit Verhältnissen der Durchmesser von 1 (Kreis) bis 10 (sehr flache Ellipse). Die Querschnittsfläche der einzelnen Garne variiert ebenfalls sehr stark, und kann je nach Anbieter etwa 0.2 mm2 bis zu 3 mm2 betragen. Dank ihrer dünnen Geometrie sind Textilgitter sehr biegeweich und sehr leicht. Sie können daher in grossen Längen hergestellt, gerollt transportiert und einfach eingebaut werden. Sie können zudem mit einfachen Hilfsmitteln auf der Baustelle auf die erforderliche Länge zugeschnitten werden. Das mechanische Verhalten der Textilgarne ist quasi-spröd, d.h. linear elastisch bis zum Bruch. PBO-Fasern weisen mit einem Elastizitätsmodul von 270-280 GPa und einer Zugfestigkeit von 5’800-6'000 MPa die höchsten mechanischen Eigenschaften auf. Carbonfasern zeigen mit 240 GPa resp. 4’300 MPa etwas geringere Werte. Basalt- und Glasfasern haben mit einem E-Modul von 80-90 GPa und einer Zugfestigkeit von 2'600-3'000 MPa deutlich tiefere mechanische Eigenschaften. Infolge der Verbundwirkung mit dem umgebenden Feinkornbeton, aber auch wegen der nie vollständigen Tränkung der Garne mit Kunstharz können die hohen Zugfestigkeiten der Fasern eh kaum ausgenützt werden. Hingegen verändern sich ihre mechanischen Eigenschaften nicht signifikant über die Zeit, die Textilien sind sehr dauerhaft. Für Carbonfasern besteht bei Temperaturen von über etwa 300°C die Gefahr von Oxidation (Transformation von Carbon in CO2). Der von der Überdeckung aus Feinkornbeton zur Verfügung gestellte Brandschutz ist üblicherweise aber ausreichend hoch, um genügend lange Brandwiderstandsdauern zu erreichen. Dies ist gegenüber extern angebrachten Klebebewehrungen aus faserverstärkten Polymeren, bei denen die Klebstoffe bei ca. 80°C verspröden und brechen, ein wesentlicher Vorteil von Textilbeton. Der Feinkornbeton stellt neben diesem Brandschutz insbesondere den erforderlichen Verbund – und damit auch die Endverankerung – für die Textilgitter zur Verfügung. Zudem ergänzt der Feinkornbeton die Betonüberdeckung einer im bestehenden Betonbauteil vorhandenen Stahlbewehrung und erhöht damit deren Korrosionsschutz. Er stellt ebenfalls die Endverankerung der Textilien mittels Verbund zur Verfügung. Diese wurde im Rahmen einer Versuchsreihe vertieft untersucht, die – neben weiteren Daten aus der Literatur – als Grundlage für die Kalibrierung von Parameterwerten eines bestehenden Verbundmodells am Einzelgarn diente. Daraus wurde ein Vorschlag abgeleitet für die Bemessung von Verbundverankerungen von in Feinkornbeton eingebetteten Textilgarnen. Diese Verankerungen sollten sich – wie bei Klebebewehrungen – im ungerissen bleibenden Bereich des Stahlbetonbauteils befinden. Die benötigten Verankerungslängen hängen im Wesentlichen von der Textilgeometrie und den Feinkornbetoneigenschaften ab und befinden sich üblicherweise im tiefen zweistelligen Zentimeterbereich. Weitere Details zur Versuchsreihe und zum Bemessungsvorschlag finden sich in diesem Bericht. Das Tragverhalten des Verbundwerkstoffs Textilbeton auf Zug ist multi-linear und zeichnet sich durch drei Phasen aus. In einer ersten ungerissenen Phase trägt in erster Linie der Feinkornbeton die Zugspannungen, die Textilien tragen lediglich im Verhältnis ihrer relativ tiefen Steifigkeit bei. Mit Erreichen der Mörtelzugfestigkeit bildet sich ein erster Riss, gefolgt von einer zweiten Phase der Ausbildung vieler fein verteilter Risse. Nach Erreichen des abgeschlossenen Rissbilds wachsen in der dritten Phase die Rissöffnungen an bis zum Erreichen der Maximallast. Auch in dieser dritten Phase zeigt sich noch stets eine Verbundwirkung der Textilien mit dem Feinkornbeton (Zugversteifung, sogenanntes «tension stiffening»). Bei Erreichen der Maximallast eines textilbewehrten Zugkörpers können üblicherweise drei Versagensmechanismen beobachtet werden: Zugversagen aller Fasern im Garn (aufgrund der unvollständigen Tränkung mit Kunstharz jedoch für tiefere Spannungen als die Faserzugfestigkeit); Ausziehversagen der Fasern im Garnkern – üblicherweise bei der Garnverankerung –, bei dem der Garnmantel mit der Mörtelmatrix verbunden bleibt («sleeve effect», inneres Verbundversagen), auch als Schlupfversagen bezeichnet; und Ausziehversagen des ganzen Garns, beim dem Garnmantel und Garnkern ausgezogen werden (Verbundversagen am Interface zwischen Garn und Mörtelmatrix), evtl. mit vorgängiger Längsrissbildung und/oder Delamination zwischen Textilschicht und Feinkornbeton. In der Biegeverstärkung bestehender Stalhbetonbauteile spielt daher die Vorbereitung des Untergrunds eine wesentliche Rolle. Zur Sicherstellung eines ausreichenden Verbunds zwischen der bestehenden Betonoberfläche und der Verstärkungsschicht aus Textilbeton muss der Untergrund mittels Hochdruckwasserstrahlen aufgeraut und vor Aufbringen des Feinkornbetons vorgenässt werden. Anschliessend wird eine erste, relativ dünne Schicht Feinkornbeton aufgebracht, üblicherweise im Spritzverfahren (trocken oder nass). Darauf folgen sukzessive Wechsel von Textilgitter und Feinkornbetonschichten (ca. 1 cm) bis zum Erreichen der geplanten Schichtstärke. Mit einer solchen Ausführungsmethode kann ein Verbundsagen an der Schnittstelle zwischen bestehender Betonoberfläche und Textilbeton i.d.R. vermieden werden. Um geeignete theoretische Ansätze für die Bemessung der Biegeverstärkung vorwiegend einachsig tragender Stahlbetonplatten zu identifizieren, wurde eine Datenbank mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur erstellt. Diese Datensammlung enthält Resultate von etwa 150 Versuchen an verstärkten Versuchskörpern und unverstärkten Referenzkörpern, wobei jeder Datensatz jeweils 58 verschiedene Parameter abdeckt, wie Versuchsanordnung, Querschnittsgeometrie, Materialeigenschaften und experimentelle Bruchlasten. Der potenziell günstige Einfluss einer Biegeverstärkung mit Textilbeton auf den Querkraft- oder Ermüdungswiderstand sowie das Verhalten im Gebrauchszustand von Fahrbahnplatten konnte aufgrund nicht verfügbarer Literaturdaten hier nicht beurteilt werden. Die meisten erfassten Versuche wurden mit Textilien aus Carbonfasern (33% aller Versuchsresultate) oder PBO-Fasern (45%) durchgeführt. Textilien mit Basaltfasern (14%) oder Glasfasern (8%) wurden wesentlich weniger häufig verwendet. Bei Verstärkungen mit Carbon wurde üblicherweise Delamination oder Ausziehversagen beobachtet. Bei PBO-Textilien wurde vorwiegend Delamination beobachtet, bei Basalttextilien zumeist Ausziehversagen. Glasfasertextilien konnten in der Hälfte aller Fälle zerrissen werden, die andere Hälfte der Versuchsresultate zeigte Delaminations- oder Ausziehversagen. Die empirische Auswertung der Versuchsresultate zeigt, dass bei bis zu vier Textillagen – unabhängig vom Textilmaterial – jede Lage den Biegewiderstand, im Vergleich zum unverstärkten Referenzkörper, um etwa 20-25% erhöht. Bei 1-2 Textillagen wird üblicherweise Ausziehversagen beobachtet, während bei 3 Textillagen und mehr zumeist Delamination massgebend wird. Diese Auswertung wurde nicht weiter detailliert, z.B. bezüglich Einfluss von Textilmaterial oder -geometrie. Die experimentellen Daten werden den Resultaten von verschiedenen theoretischen Ansätzen zur Berechnung des Biegewiderstands gegenüber gestellt. Ein erster Ansatz stellt auf den klassischen Annahmen für die Querschnittsanalyse von Stahlbeton ab (Ebenbleiben der Querschnitte, Vernachlässigung der Betonzugfestigkeit, Bewehrungen mit Kräften nur in Stabrichtung) und berücksichtigt starren Verbund zwischen Textil und Feinkornbeton. Die Resultierenden der Zug- und Druckkräfte im Querschnitt werden mittels Gleichgewicht, Ebenbleiben der Querschnitte (Dehnungsverträglichkeit) und üblicherweise verwendeter Materialgesetze bestimmt. Mit diesem Ansatz wird der experimentelle Biegewiderstand im Mittel um 18% überschätzt, bei einem Variationskoeffizienten (COV) von 30% (unter Annahme einer Normalverteilung). In 80% der Fälle wird ein Biegewiderstand auf der unsicheren Seite berechnet. Der Ansatz wurde daher als ungenügend beurteilt. Aufgrund dieser Ergebnisse wird klar, dass Reduktionskoeffizienten auf die Axialsteifigkeit der Verstärkungstextilien eingeführt werden müssen, die aus den Besonderheiten des Verbunds im Textil selbst und des Verbunds vom Textil zum umgebenden Feinkornbeton entstehen. Mit den in der Fachliteratur postulierten Reduktionskoeffizienten wird die wirkliche Tragfähigkeit jedoch um fast 20% unterschätzt, wenn auch mit etwas reduziertem COV. Der zweite untersuchte Ansatz geht deshalb ins andere Extrem, indem der Verbund zwischen Textil und Feinkornbeton bis auf die Verankerung vernachlässigt wird. Die Textilien werden als verbundfreie, endverankerte Bewehrungen betrachtet, ähnlich wie dies für Vorspannung ohne Verbund gemacht wird. Zur Bestimmung der mittleren Dehnung im Textil wird dabei ein Starrkörpermechanismus untersucht, dabei ist die berücksichtige freie Länge der Textilbewehrung zentral; hierfür wurde einerseits die theoretisch gerissene Länge im Textilbeton, und andererseits die Länge mit fliessender Stahlbewehrung berücksichtigt. Im ersten Fall werden die experimentellen Resultate im Mittel um 26% unterschätzt, mit einem COV von 24%. Nur 20% aller Fälle liegen auf der unsicheren Seite. Im zweiten Fall werden die experimentellen Resultate im Mittel um 12% unterschätzt, bei einem COV von 28%. Obwohl dieser Ansatz Resultate auf der sicheren Seite liefert, wurde die relativ hohe Variabilität als nicht zufriedenstellend erachtet. Weitere Berechnungsansätze berücksichtigten Reibungs- resp. Verbundkoeffizienten (Dehnungslokalisierung), in Analogie zu Spanngliedern resp. Klebebewehrungen. Wegen der jeweils sehr hohen COV (> 50%) wurden auch diese Ansätze fallen gelassen. Schliesslich wird ein analytisches Modell für die Bemessung im Grenzzustand der Tragsicherheit empfohlen, welches sich ebenfalls an Modellen von Klebebewehrungen orientiert, indem Dehnungsbegrenzungen für die Biegeverstärkung mit Textilbeton bei gleichzeitigem Fliessen der bestehenden Stahlbewehrung eingeführt werden. Die Dehnungsbegrenzungen in den Textilien werden anhand der experimentellen Resultate so kalibriert, dass diese im Mittel genau abgebildet werden. Die Beurteilung der Resultate erfolgt anhand der zugehörigen COV. Unabhängig von Textilmaterial und Versagensart ergibt sich für die Dehnungsbegrenzung ein Mittelwert von 6.6‰ und ein COV von knapp 17%. In einem weiteren Schritt werden Mittelwerte der Dehnungsbegrenzungen nach Textilmaterial unterschieden (Carbon: 4.5‰, PBO: 8‰, Basalt: 12‰, Glas: 8‰), womit der COV unter 16% gesenkt werden kann. Mit einer weiteren Unterscheidung der Mittelwerte der Dehnungsbegrenzungen pro Textilmaterial je nach experimentell beobachteter Versagensart lassen sich die COV noch weiter reduzieren (Carbon: 14%, PBO: 12%, Basalt: 16%, Glas: 9%). Diese werden als ausreichend tief bewertet, angesichts der im Betonbau üblicherweise anzutreffenden Variabilität. In der praktischen Bemessung der Textilbetonverstärkung dürfen im Biegenachweis selbstverständlich keine Mittelwerte, sondern müssen Bemessungswerte der Dehnungsgrenzen berücksichtigt werden. Diese stellen wiederum auf charakteristischen Werten ab und berücksichtigen weitere partielle Sicherheitsfaktoren und Umrechnungskoeffizienten. Für Carbon- und PBO-Textilien können charakteristische Werte aus den kalibrierten Mittelwerten der Dehnungsbegrenzungen und den COV unter der Berücksichtigung der Anzahl verfügbarer Versuchsresultate abgeleitet werden zu 4.2‰ für Carbon und 6.9‰ für PBO. Für Basalt- und Glasfaserbasierte Textilien standen zu wenig Resultate zur Verfügung, um charakteristische Werte abzuleiten. Die Festlegung von partiellen Sicherheitsfaktoren und Umrechnungskoeffizienten, erforderlich in der Berechnung von Bemessungswerten, bedarf hingegen weiterer Untersuchungen, insbesondere für PBO-Textilien. In der Literatur finden sich lediglich Angaben für Carbon- und Glasfasertextilien, die einen Materialsicherheitsfaktor von 1.3 und Umrechnungskoeffizienten von 0.85 (Carbon) resp. ca. 0.4 (Glas) empfehlen. Dieses Bemessungsvorgehen hat den Vorteil, dass es praxisorientiert ist, indem es auf gängigen Praktiken abstellt. Der Nachteil ist, dass die massgebende Versagensart nicht direkt abgebildet wird, sondern auf eine Dehnungsbegrenzung (resp. ein «künstliches» Faserversagen) im Querschnitt der maximalen Biegebeanspruchung reduziert wird. Dies, obwohl in Versuchen eher Ausziehen oder Delamination beobachtet werden. Bei Ausziehen versagt die Verankerung der Textilien, während bei Delamination der Verbund an der Schnittstelle von erster Textilschicht und umgebendem Feinkornbeton versagt. Beide Versagensarten finden sich in Bereichen mit hoher Schubbeanspruchung resp. in Auflagernähe. Die vorgeschlagene Biegebemessung mittels Dehnungsbegrenzung soll daher mit einem Nachweis der Verankerung des Textils im theoretisch ungerissenen Bereich (hinter dem ersten Riss, analog zu SIA 166 für Klebebewehrungen) ergänzt werden. Damit sollte eine ausreichend konservative Bemessung möglich sein. Der vorliegende Bericht führt ebenfalls ein Modell zum Nachweis dieser Verankerung von Textilien im Feinkornbeton ein. Dieses stellt auf einem theoretischen Modell aus der Literatur für das Verbundverhalten eines einzelnen Faserstrangs ab sowie auf eigenen Versuchsresultaten und solcher aus der Literatur für ganze Textilien. Das vorgeschlagene Bemessungsmodell für die Verankerung zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Versuchsresultaten sowie zufriedenstellende Variationskoeffizienten. Ausserdem zeigt dieses Modell auch, dass die verankerbare Textilspannung bei Vergrösserung der Verankerungslänge nicht beliebig erhöht werden kann, da die Verbundbruchenergie beschränkt ist, und dass der Zugwiderstand des Textils in der Regel nicht ausgeschöpft wird. Die Anwendung von Textilbeton zur Biegeverstärkung von Stahlbetonplatten ist eine praxistaugliche und brauchbare Alternative zu Klebebewehrungen aus faserverstärkten Kunststoffen. Die grössten Vorteile von Textilbeton bestehen in der einfachen Anwendung vor Ort, die mit auf der Baustelle gut eingeführten Methoden arbeitet, im klar besseren Brandwiderstand sowie in der vergrösserten Betonüberdeckung für die bestehende Stahlbewehrung. Künftige Untersuchungen zur Anwendung von Textilbeton als Verstärkungsmethode von Stahlbeton sollten den Einfluss des Verbunds zwischen Textil und Feinkornbeton auf das Tragverhalten von Fahrbahnplatten in der Verstärkungszone in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit und der Tragsicherheit sowie den potentiell günstigen Einfluss einer solchen Biegeverstärkung auf deren Querkraftwiderstand umfassen. Dabei sind insbesondere grossmassstäbliche Versuche mit Verstärkungen aus Basalt- und PBO-Textilien zur Validierung des Dehnungsbegrenzungsansatzes sowie seine Erweiterung auf generellere Situationen (hohe Stahlbewehrungsgrade in der bestehenden Betonplatte, grössere Variabilität der Plattenschlankheit etc.) wünschenswert, ebenso die Identifikation massgebender Querschnitte für die Bemessung. Der Einfluss der Biegeverstärkung aus Textilbeton auf die Ermüdungsfestigkeit einer bestehenden Fahrbahnplatte aus Stahlbeton sowie die mögliche Reduktion der Verstärkungswirkung des Textilbetons infolge Ermüdungslasten sind weitere wichtige zu untersuchende Themen. Ferner sollte auch die Effizienz von mehreren Textillagen, insbesondere drei und mehr, untersucht werden. Dazu werden Verankerungsversuche mit variabler Länge sowie grossmassstäbliche Biegeversuche empfohlen, in denen auch die Beanspruchungsseite mit den üblicherweise massgebenden Achslasten wirklichkeitsnah abgebildet werden. Die Resultate sollten hinsichtlich Effizienzfaktoren der reinen Textilien in Zusammenhang mit dem Verbundverhalten evaluiert werden. Mit ergänzenden theoretischen Untersuchungen kann damit die Zugversteifungswirkung von Textilbeton über den gesamten Verstärkungsbereich von Fahrbahnplattenstreifen aus Stahlbeton beschrieben werden. Dazu kann das in diesem Bericht beschriebene Verbundmodell als Ausgangslage dienen. Diese Untersuchungsresultate sollten sich nicht zuletzt in normativen Richtlinien (national anwendbar, z.B. mittels Revision der bereits 15-jährigen SIA 166) niederschlagen, die zudem die Ermittlung von charakteristischen Kennwerten, Umrechnungs- und partiellen Sicherheitsfaktoren auf der Materialseite erfordern.

Ce rapport présente les résultats de l’évaluation de l’aptitude de différentes approches analytique pour le dimensionnement à l’état-limite ultime (ELU) d’un renforcement à la flexion des dalles de roulement des ponts-routiers avec du béton armé aux textiles (béton textile, BT). Le BT est un matériau composite qui combine la résistance à la traction élevée des fibres des textiles avec l’adhérence et les protections mécaniques et thermiques fournies par des bétons à petits granulats, c.à.d. des mortiers à base de ciment. En plus d'être utilisé dans la fabrication de nouveaux éléments en BT, ce matériau peut également être utilisé en tant que couches de renforcement d’éléments en béton armé (BA) existants. Les textiles les plus populaires utilisées dans ce type d'application se composent de fibres de carbone, de basalte, de verre et de PBO (polyphénylène-2,6-benzobisoxazole, alias « Zylon »). Après leur production, ces fibres sont regroupées en fils très résistants à l'aide de résine. Ces fils sont ensuite tissés en textiles, normalement en forme de grilles. Pour le renforcement à la flexion d’éléments BA existants, la préparation du support joue un rôle crucial. Afin d'assurer un comportement monolithique à l'interface, il doit être rendu rugueux par l’hydrodémolition avant d'appliquer le système de renforcement. Une fois ce processus terminé, la première couche de mortier peut être appliquée, normalement par giclement à voie sèche ou humide, suivie par des couches successives de textile-mortier jusqu'à ce que le niveau de renforcement souhaité soit atteint. En plus d'offrir un enrobage supplémentaire à l’armature en acier dans un élément BA existant, le mortier joue un rôle structural important pour l’ancrage des textiles au bord de la zone fonctionnelle. L'ancrage par adhérence a été étudié à travers d’une campagne expérimentale qui a permis de compléter des données expérimentales de la littérature et de calibrer une série de paramètres d’un modèle théorique précédemment développé. L’étude s'est conclue par la proposition d’une approche analytique pour le calcul de la résistance d'ancrage des fils des textiles noyés dans le mortier. Des détails concernant cette proposition et l’étude expérimentale figurent aussi dans le présent rapport. Afin d’identifier une approche théorique appropriée pour le dimensionnement du BT en tant que renforcement à la flexion des dalles unidirectionnelles, une base de données de résultats expérimentaux a été créée en rassemblant des données de la littérature existante. Elle contient les résultats d’environ 150 expériences sur des éléments renforcés et non renforcés de référence. Chaque entrée couvre 58 paramètres relatifs à la configuration de test, la géométrie des sections, les propriétés des matériaux et les résultats expérimentaux. Dans un premier temps, ces données ont été évaluées empiriquement pour déterminer statistiquement le type de matériel de textile utilisé, les types de défaillances observés et l'augmentation de la résistance à la flexion. Cette dernière est augmentée, à la moyenne et indépendamment du matériau de textile, de 20-25% par couche de textile. Différentes approches analytiques ont été ensuite appliquées afin de tester leur adéquation, en comparant la résistance à la flexion théorique avec les résultats expérimentaux. Une première approche considère l’adhérence du textile à la matrice comme rigide et a pour résultat une forte surestimation de la résistance réelle à la flexion avec un grand coefficient de variation (COV) encore. Ce que justifie l’introduction des coefficients de réduction de la rigidité axiale des textiles, comme aussi postulé dans la littérature, qui résident dans les particularités du comportement à l’adhérence à l’interne des textiles mais aussi avec le mortier qui les enrobe. La seconde approche appliquée va donc vers l'autre extrême, en considérant qu'il n'y a pas d’adhérence entre le textile et la matrice mais que le textile est ancré à l'extrémité de l’élément par le mortier. Cette approche donne des résultats conservateurs de la résistance théorique à la flexion mais n’est pas non plus considérée comme satisfaisante, en raison du COV élevé. Les troisième et quatrième approches appliquées cherchent à identifier des coefficients de frottement respectivement des coefficients d’adhérence entre le textile et la matrice mais, en raison de leur inapplicabilité pour les configurations de flexion 3 points et des COV élevés, ces approches ont aussi été abandonnées. Enfin, une méthode analytique est retenue, qui introduit des déformations-limites à la traction par flexion pour les textiles pendant que l’armature en acier existante est en écoulement, en s’orientant ainsi à des approches provenant des lamelles en polymère renforcées par fibres collées. Grâce à la calibration raffinée de ces limites, une moyenne de 1 du rapport entre les résultats expérimentaux et théoriques et le COV le plus bas de toutes les approches évaluées sont obtenus. Cette approche a l’avantage d’être bien orienté vers la pratique. Le désavantage est que le mode de rupture prépondérant ainsi n’est pas explicitement décrit par cette vérification. Dans les essais, on observe normalement des ruptures de l’ancrage ou de délamination des textiles qui sont plutôt liés, les deux, à une sollicitation à l’effort tranchant qu’à la flexion. Ainsi, il est recommandé de compléter le dimensionnement à la flexion par déformations-limites avec la vérification de l’ancrage des textiles dans la zone théoriquement non-fissurée (en analogie avec la SIA 166). Ce rapport présente aussi un modèle de dimensionnement pour la vérification de l’ancrage des textiles qui montre une bonne concordance avec des résultats expérimentaux et des COV satisfaisants. En plus, il démontre que la résistance de l’ancrage est limitée et que la résistance à la traction des textiles ne peut normalement pas être exploitée. Pour le dimensionnement pratique avec les déformations-limites, il y a besoin d’identifier des valeurs de dimensionnement qui se basent, à leur tour, sur des valeurs caractéristiques. Des déformations-limites pour ces derniers ne peuvent pratiquement être recommandées qu’uniquement pour les textiles en fibre de carbone ou de PBO car trop peu de données étaient disponibles pour les textiles en fibre de verre et de basalte. Le béton armé aux textiles ou le béton textile représente une méthode viable pour renforcer les éléments structuraux existants en béton armé à la flexion. Les avantages principaux de cette méthode de renforcement sont la facilité d'application sur le chantier, qui implique des outils déjà utilisés, ainsi qu’une meilleure résistance au feu en comparaison avec des solutions utilisant des armatures collées. L'incidence potentielle du renforcement à la flexion avec du béton textile sur la résistance au cisaillement ou à la fatigue ainsi que sur le comportement à l’état de service des dalles de roulement n'a pas pu être évalué en raison de l’indisponibilité de données dans la littérature. Des recherches sur cet effet sont clairement souhaitable, portant, en particulier, sur des essais en grandeur réaliste avec des renforcements aux textiles en basalte et en PBO et sur des situations plus générales (taux d’armature en acier plus élevés, autres élancements des dalles etc.). Ainsi, des déformations-limites pour ces matériaux peuvent être établies et des sections de contrôle peuvent être identifiées plus précisément. Les effets des renforcement textile seront bien probablement affectés par l’influence de l’adhérence entre textile et mortier sur le comportement de l’élément renforcé où des recherches supplémentaires devraient aussi être effectuées. Une attention particulière devrait être prêtée à l’évaluation de l’efficience de trois couches de textiles et plus, à identifier par des essais d’ancrage à longueur variable et par des essais à la flexion en grandeur réaliste. Ces résultats, en combinaison avec des réflexions théoriques ultérieures devraient permettre de décrire le comportement des textiles et leur adhérence. Une perte potentielle de la capacité du renforcement en béton textile due à la sollicitation par des charges de fatigue serait un autre sujet important à étudier. Pour ces deux sujets, le modèle d’adhérence décrit dans ce rapport peut servir comme base. Enfin, les résultats de toutes ces évaluations devraient de refléter dans des directives normatives (p.ex. par une révision de la SIA 166). Ceci nécessitera, en plus, la dérivation et l’identification des valeurs caractéristiques, des coefficients de conversion et des facteurs des sécurité des matériaux.

This report presents the suitability evaluation of various theoretical approaches for the structural design of the flexural strengthening of bridge deck slabs with textile reinforced concrete (TRC) at ultimate limit state (ULS). TRC is a composite material which combines the high tensile strengths of the fiber textiles with the bond capacity and the mechanical and thermal protection provided by fine-grained concrete (i.e. cement-based mortars). Besides being used in manufacturing of new TRC elements, these materials can also be used as strengthening for existing reinforced concrete (RC) elements. The most frequently used textiles in this type of applications are made from Carbon, Basalt, Glass and PBO (poly-phenylene-2,6-benzobisoxazole a.k.a. Zylon) fibers. Such fibers are bundled together into highly resistant yarns with the help of resin. These yarns are then woven into textiles, usually applied in the form of meshes. In flexural strengthening of existing RC elements, the preparation of the support surface plays an important role. It has to be roughened by hydro-demolition before applying the strengthening system in order to ensure a monolithic behavior at the interface. Once this process is completed, the first mortar layer can be applied, usually by spraying, followed by successive textile-mortar layers until the desired strengthening level is reached. Besides offering a protection layer to the steel reinforcement of the existing RC element, the mortar plays an important structural role as anchorage and bond agent for the textile yarns. The anchorage by bond was studied in an experimental campaign, complementing existing experimental data from the literature and allowing to calibrate a series of parameters of the theoretical model proposed in the literature. The study concluded with an analytical proposal for determining the bond anchorage capacity of the textile yarns embedded in mortar. More details on the proposal and the experimental campaign are given in this report. To identify a suitable theoretical approach for dimensioning the flexural strengthening of existing one-way slab elements, a database with experimental results was created by gathering data from the literature. This database contains data from approximatively 150 experiments on strengthened elements and unstrengthened reference elements. Each entry describes 58 different parameters covering input data such as test setup, cross-sectional geometry, material properties and experimental failure loads. In a first step, the collected data was evaluated empirically to statistically determine the type of textile materials used, the types of observed failure and increases in flexural capacity. The latter increases, on average and independently of the textile material, by 20-25% per textile layer. In a second step, different theoretical approaches for ULS design of the flexural strengthening of slab elements with TRC were applied to evaluate their suitability by comparing the theoretical flexural capacity with the experimental results. A first approach considers rigid bond between textile and surrounding concrete matrix and results in a large overestimation of the flexural capacity and a high coefficient of variation (COV). This legitimates the introduction of efficiency coefficients on the axial stiffness of the textiles, as also proposed in literature, which are due to the particularities of internal bond of the textiles but also to the bond between textile yarns and the surrounding mortar. Thus, the second approach applied goes into the other extreme, considering no bond between textile and matrix but end-anchorages of the textile being provided by the mortar. This approach returns conservative estimations of the flexural capacity, yet it is not satisfactory due to a high COV. The third and fourth approaches applied evaluate the consideration of friction and bond coefficients, respectively, between textile and surrounding matrix. However, due to their inapplicability to 3-point bending configurations and high COVs, they were also considered unsatisfactory. Finally, an analytical method is retained that introduces strain limits for the flexural tension forces in the textiles while the existing steel reinforcement is yielding, thereby relating to approaches known from fiber-reinforced polymer strips. Thanks to thoughtful calibration of the strain limits, this approach results in an average of 1 for the ratio between experimental results and theoretical predictions and the lowest COV of all evaluated approaches. This approach has the advantage of being aptly practice-oriented. However, such a dimensioning approach does not explicitly address the governing rupture mode. In load tests, anchorage or delamination failures of the textiles are normally observed which are, both, rather related to loading from shear forces than bending moments. As such, it is recommended to complement the flexural dimensioning by strain limits with a verification of the anchorage capacity of the textiles in the theoretically uncracked zone (in analogy to SIA 166). This report also presents a dimensioning model for this anchorage capacity that shows good agreement with experimental results and acceptable COV. Furthermore, the model also proofs that the anchorage capacity is limited and that the tensile strength of the textiles can usually not be exploited. For a practical dimensioning, design values of the stain limits are required, being based on characteristic values. Practically applicable strain limits for the latter can be recommended for carbon and PBO fiber textiles only, as too few experimental data is available for textiles made of glass and basalt fibers. Textile reinforced concrete represents a viable method for strengthening existing reinforced concrete elements in bending. The main advantages of this strengthening method are the ease of application which involves tools that are already in use on the construction site, and better fire resistance compared to adhesively bonded solutions with fiber-reinforced polymers. The potential impact of flexural strengthening with TRC on shear or fatigue capacity as well as the serviceability behavior of deck slabs could not be assessed due to missing literature data. Further investigations are required on the influence of bond between textile and matrix on the strengthened length, and to determine the effects of flexural strengthening with TRC on the shear strength of bridge deck slabs. A potential strengthening capacity loss over time due to fatigue loading is a further important subject to be studied. Such investigations should target real-scale tests with basalt and PBO strengthening and, in addition, more general structural conditions (higher steel reinforcement ratios, more variable slab slenderness etc.). Particular attention should be given to the identification of the efficiency of three and more textile layers, to be identified in anchorage tests with variable anchorage length and real-scale flexural tests. In combination with additional theoretical evaluations on the influence of the textile bond behavior over the whole strengthened length, such results would allow to refine the proposed strain limits and to identify governing control sections in more detail. The textile bond model presented here can serve as a basis for all these investigations. Last but not least, the results and conclusions of such evaluations should be reflected in normative guidelines (e.g. through a revision of SIA 166). This will further require the derivation and identification of characteristic values, conversion coefficients, and partial safety factors for the strengthening materials.

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