Erforschung und Modellierung des Verbundverhaltens profilierter Carbongarne und Methodenentwicklung zur gezielten Steuerung des Verbundes zwischen Garn und Beton

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif; Professor Dr.-Ing. Manfred Curbach
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549871995

Der Einsatz textiler Bewehrungen im Betonbau hat sich als eine technisch und wirtschaftlich interessante Alternative gegenüber konventioneller Stahlbetonbewehrung etabliert und wird zunehmend baupraktisch genutzt. Die Leistungsfähigkeit von textilbewehrtem Beton kann aber nur ausgeschöpft werden, wenn hohe Kräfte zerstörungsfrei im Interface zwischen den Verbundpartnern endlosfaserbasierte textile Bewehrung und Betonmatrix übertragen werden können. Die Weiterentwicklung der Faserbewehrungen in der jüngeren Vergangenheit führte zu Garnen mit hoher Feinheit, Zugfestigkeit und Steifigkeit. Damit erhöhten sich die Beanspruchung im Interface und folglich auch die Verbund- und Verankerungslängen eines Garns im Beton teilweise deutlich, was nachteilig für Materialbedarf und Rissbild ist. Hinzu kommt, dass durch eine Vielzahl an Fasermaterialien, Tränkungsmitteln und Herstellverfahren bis heute der Verbundmechanismus weder vollständig verstanden oder vorhergesagt, noch in allen seinen Aspekten modellhaft abgebildet oder gesteuert werden kann. These im beantragten Forschungsvorhaben ist, dass durch eine gezielte Profilierung von endlosfaserbasierten Garnen die erforderlichen Verankerungslängen reduziert, durch eine kompaktere Querschnittsform die Betonmatrix gleichmäßiger beansprucht und alle Filamente in einem Garn wegen dessen besserer Durchtränkung gleichmäßiger am Lastabtrag beteiligt werden. Ziel ist die numerisch-experimentelle Erforschung der Wirkungsweise von Garnprofilierungen im Beton zur Schaffung eines tiefgreifenden Verständnisses, damit eine definierte Modifikation und Steuerung der Verbundeigenschaften endlosfaserbasierter Bewehrungsstrukturen für den Betonbau durch Garnprofilierung reproduzierbar möglich wird. Dafür müssen die Wechselwirkungen zwischen Garn- und Profileigenschaften, dem Prozess der Profilausformung, dem umgebenden Beton und deren kombinierter Einfluss auf die Mechanismen des Verbundes und weiterführend auf Versagens- und Rissbildungsverhalten analysiert und Materialgesetzmäßigkeiten abgeleitet werden. Im Projekt werden parametrisierbare Garnprofil-Basistopologien als Simulationsmodell für die Herstellung entwickelt und realisiert. Dafür wird ein modularer Versuchsstand zur Garnprofilierung mit hoher geometrischer Variabilität entwickelt. Systematische Materialuntersuchungen finden am unbelasteten konsolidierten Garn (Filamentorientierung, -schädigung, Formstabilität, Durchtränkung) und am belasteten Komposit Carbongarn–Beton mit Fokus auf Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen, Rissbildungsprozesse und Versagensmechanismen statt. Unterstützt durch numerische Simulationen werden Gesetzmäßigkeiten zur gezielten Verbundsteuerung und Aussagen über ggf. mindernde Effekte auf die Garnzugfestigkeit durch Garnprofilierung abgeleitet. Eine analytische Beschreibung des Verbundverhaltens profilierter Garne fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen