@article{Zwicky:9932,
      recid = {9932},
      author = {Zwicky, Daia and Muresan, Alex-Manuel and Maeder, Marco},
      title = {Strengthening of bridge deck slabs with textile reinforced  concrete = Verstärken von Fahrbahnplatten mit Textilbeton =  Renforcement de dalles de roulement avec le béton armé aux  textiles},
      publisher = {Office Fédéral des Routes (OFROU)},
      address = {Ittigen. 2021-06},
      number = {BOOK},
      pages = {63 p.},
      abstract = {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.},
      url = {http://arodes.hes-so.ch/record/9932},
}