Academic literature on the topic 'Welligkeit'

Zusammenfassung Bei der taktilen Erfassung einer Oberfläche lässt sich eine Beeinflussung des Messergebnisses durch die morphologische Filterung infolge der endlichen Größe des Antastelementes und die Wirkung der mechanischen Antastkraft nicht vermeiden. Durch die Simulation dieser Filterung und der zusätzlichen Berücksichtigung der elastischen Abplattung können Modelle für die Simulation von taktilen Koordinatenmessungen bereitgestellt werden. Zur Simulation der Abplattung werden die Oberflächenprofile in die einzelnen Wellen- bzw. Ortsfrequenzbestandteile zerlegt. Jede Wellenamplitude wird entsprechend ihres Anteils an der Verformung reduziert. Das daraus resultierende Profil wird hinsichtlich verschiedener Oberflächenparameter analysiert. Bei der Auswertung der Welligkeit und der Geradheitsabweichungen lassen sich unterschiedliche Effekte für verschiedenen Simulationsparameter und Auswertebedingungen erkennen. Der Einfluss der elastischen Abplattung auf das Ergebnis steht in Abhängigkeit von der betrachteten Werkstückoberfläche und des verwendeten Tastkugelradius. Signifikante Effekte sind bei regelmäßigen Oberflächenstrukturen und der Verwendung kleiner Tastkugelradien zu beobachten. Die aus der Simulation entstehenden Modelle können auch für die Simulation der Messunsicherheit verwendet werden.

ZusammenfassungBei der Formung von Faser-Thermoplast-Verbunden (FTV) ändert sich, aufgrund der angreifenden Formkräfte und der verschiedenen Reaktionen der Einzelkomponenten im Verbund darauf, die Position und Ausrichtung der Fasern im Matrixwerkstoff. Für FTV-Biegeprozesse mit dem Bogenverlauf in Richtung der Faserausrichtung entsteht so u. a. eine sichtbare Welligkeit der Fasern. Ein mögliches Verfahren zur optischen Auswertung der Welligkeit an den Oberflächen der Innen- und Außenbögen wird daher untersucht. Zur Bildgebung wird ein robotergeführtes Lichtschnittverfahren eingesetzt, um im ersten Schritt die Geometrie der Proben zu erfassen. Anschließend wird die Textur aufgenommen und mit der Geometrie fusioniert. Am entstanden Bauteilmodell wird die Länge der lokalen Faserverläufe ermittelt, um aus dem Quotienten der Faserlänge zur Bogenlänge innerhalb eines Messkorridors eine relative Kennzahl für die Welligkeit abzuleiten. Die Ergebnisse werden mit geometrisch möglichen Werten abgeglichen und zur Beurteilung des Beitrags der Welligkeit zur Bogenlängenkompensation herangezogen. Eine erste Validierung der Analyse erfolgt über Wiederholungsversuche, die zeigen, dass das vorgestellte Verfahren prinzipiell geeignet ist, Welligkeiten über Faserlängenänderungen zu erfassen.

ZusammenfassungDie Wahrnehmung lackierter Oberflächen wird sehr stark durch deren Oberflächenrauheiten und -welligkeiten beeinflusst. Betrachtet man die Welligkeiten, dann ist für den visuellen Eindruck nicht nur deren Ausprägung, sondern auch der Verlauf entscheidend. Lokale Änderungen im Verlauf können dazu führen, dass solche Oberflächen als „unschön“ wahrgenommen werden. Die Einschätzung der Welligkeit wird heute in der Industrie mit Hilfe verschiedener Messinstrumente durchgeführt. Diese ignorieren dabei meist den zweidimensionalen Charakter dieses Oberflächeneffektes und nehmen das optische Profil der Oberfläche nur linienhaft auf. Änderungen in der Ausprägung werden nicht berücksichtigt, da sie entweder herausgemittelt werden oder zu einer Fehlmessung führen. In diesem Beitrag werden Methoden vorgestellt, die zum einen die zweidimensionale Aufnahme und Auswertung von Oberflächenwelligkeiten ermöglichen und zum anderen Änderungen im Verlauf detektieren. Dazu wird ein deflektometrisches Messsystem verwendet, um das Gradientenfeld der Oberfläche zu erhalten. Durch Auswertung in bestimmten Wellenlängenbereichen wird eine Vergleichbarkeit zu Standardkenngrößen aus der Industrie gewährleistet.

ZusammenfassungUm die Dichtheit einer drehenden Welle ohne Leckage oder Trockenlaufen sicherzustellen, muss die Wellenoberfläche im Dichtungsbereich drallfrei sein. Drall ist eine Oberflächenstruktur, die die Rauheit der Wellenoberfläche wie eine mikroskopische Schraubenstruktur überlagert und somit zu einem Öltransport führt. Schneidet man die Drallstruktur in axialer Richtung, so besitzt sie die Form einer periodischen Welligkeit. Durch angepasste kohärente Beleuchtung der Wellenoberfläche kann die Drallstruktur im reflektierten Licht deutlich visualisiert werden. Der angepasste Beleuchtungsprozess wirkt wie ein optischer Filter, der das optische Rauschen der Rauheitsstrukturen im reflektierten Streulicht reduziert und die Lichtbeugung an der Drallstruktur verstärkt anregt. Es entsteht innerhalb der reflektierten Streulichtverteilung ein deutliches Beugungsmuster. Mit Hilfe eines rigorosen Beugungsmodells berechnen wir die gemessenen Beugungseffizienzen in bester Näherung und bestimmen somit die Periodenlänge und Dralltiefe der Drallstruktur. Wir stellen ein Streulichtmessgerät vor, das schnell und reproduzierbar Drallstrukturen auf Wellenoberflächen ermittelt. Anhand von produktionstypischen Wellenoberflächen mit unterschiedlichen Drallstrukturen testen wir diese optische Drallmessung und vergleichen die Ergebnisse mit taktilen Messungen. Es werden die Grenzen des optischen Messverfahrens diskutiert und die zukünftigen Entwicklungsschritte aufgezeigt.

In this paper it is shown that a completely analytical theory based on the extended Hertzian approach together with additional considerations taking into account the geometrical conditions of a curved surface provide an appropriate model for the theoretical “simulation” of a variety of asperity contact problems. This model yields relatively fast and easy to use tools for the analysing of contact problems arising in connection with rough surfaces. In this study the results are shown on the example of a 3µm-DLC-coating on a steel substrate with asperities of about 100µm in diameter and 15µm height. It is found, that – under a general average pressure of 1GPa – the ideal asperity tip contact situation would lead to severe damage due to plastic flow within the steel substrate. On the other hand a rather conforming contact situation appears to be completely non critical.

Motivated by the structure of the normal surface stress of the extended Hertzian approach [1] given due to terms of the form r^2n*(a^2-r^2)^(1/2) (n=0, 2, 4, 6…) it seems attractive to evaluate the complete elastic field also for shear loadings of this form. The reason for this lays in the demand for analytical tools for the description of mixed loading conditions as they appear for example in scratch experiments. [1] N. Schwarzer, "Elastic Surface Deformation due to Indenters with Arbitrary symmetry of revolution", J. Phys. D: Appl. Phys., 37 (2004) 2761-2772

Textile Reinforced Concrete shows a complex load-bearing behaviour, which depends on material properties of the composite constituents and load transfer mechanisms in between. These properties cannot be modified arbitrarily in experimental investigations, which complicates identification of the impact of certain mechanisms on composite’s behaviour. In this respect, theoretical investigations offer the possibility to study the influence of individual parameters. At first, experimental results of tensile-loaded specimens are given, which help to identify different mechanisms in advance. Afterwards, respective results of numerical calculations with a reduced two-dimensional model are presented to study these mechanisms, including the effects of a reduced stiffness in the cracked state, yarn waviness and tension softening of the cementitious matrix.

Das Trag- und Verbundverhalten textiler Bewehrungen wurde in den vergangen Jahren umfassend experimentell untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse stützen sich jedoch fast ausschließlich auf einaxiale Beanspruchungszustände. Grundsätzlich können aus dem Vergleich von Versuchen an Rovings und an textilen Bewehrungsstrukturen Rückschlüsse auf den Einfluss der Quer- und Stützfäden und der verschiedenen Bindungstechniken auf das einaxiale Tragverhalten von Textilbeton getroffen werden. Offen bleibt jedoch, inwieweit sich die gefundenen Gesetzmäßigkeiten auf mehraxiale Beanspruchungssituationen übertragen lassen. Dadurch werden Fragen bezüglich des Tragverhaltens textiler Bewehrungen unter mehraxialen Zugbeanspruchungen aufgeworfen, welche die Motivation für die vorliegende Arbeit liefern. Die hierzu durchgeführten experimentellen Untersuchungen umfassen 84 Einzelversuche und wurden in einem speziell für zweiaxiale Zugbeanspruchungen entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Als textile Bewehrungen kamen zwei verschiedene Gelegearten aus AR-Glas und Carbon zum Einsatz. Die Ergebnisse konnten die bisher ausschließlich an einaxialen Dehnkörpern gewonnenen Erkenntnisse über das Tragverhalten textiler Bewehrungen grundsätzlich bestätigen. Für den Übergang von Zustand I zum Zustand II konnte eine Abhängigkeit der Erstrissspannung vom Spannungsverhältnis nachgewiesen werden. Die Merkmale der Zustände IIa und IIb zeigen hingegen keine signifikante Abhängigkeit vom Verhältnis aus Längs- und Querzugspannung. Darüber hinaus haben offenbar durch Querzug induzierte bewehrungsparallele Risse keine maßgeblichen Auswirkungen auf das Verbundverhalten der Rovings in Längsrichtung. Eine wesentliche Erkenntnis aus den biaxialen Zugversuchen mit Carbon betrifft den Einfluss der Welligkeit. Es wurde deutlich, dass der Abbau der Welligkeit in beschichteten textilen Bewehrungen hochgradig lastabhängig ist. In zahlreichen Versuchen mit Carbon kam es innerhalb des Zustands IIb zu Delamination, einem bisher in diesem Umfang nicht beobachteten Effekt. Die Erkenntnisse hinsichtlich des Abbaus der Welligkeit wurden im Anschluss auf das Tragverhalten von AR-Glas übertragen und führten zu einer Neubewertung des bei AR-Glas beobachteten Steifigkeitsdefizits im Zustand IIb. Weiterhin wurde der Einfluss der Orientierung der Bewehrung unter einaxialer Beanspruchung an scheibenartigen Probekörpern untersucht. Es zeigte sich, dass die untersuchten Bewehrungen aus AR-Glas hinsichtlich der Tragfähigkeit bei schiefwinkliger Beanspruchung deutlich unempfindlicher reagieren als Bewehrungen aus Carbon. Für die Reduktion der effektiven Faserbruchspannungen wurde ein mathematisches Modell vorgestellt, welches eine getrennte Beschreibung der geometrischen Einflüsse sowie alle sonstigen, die Faserbruchspannung reduzierenden Effekte erlaubt
The load bearing and bond behaviour of textile reinforcements has been comprehensively studied experimental in recent years. The findings are based almost exclusively on uniaxial loading. Generally, from the comparison of tests on rovings and fabrics conclusions can be drawn about the influence of transverse and supporting threads and different binding patterns on the uniaxial load-bearing behaviour. However, it remains open, to what extend the found principles are applicable to multi-axial loading situations. This raises questions about the load bearing behaviour under multi-axial tension loading, which provide motivation for this work. For the experimental studies on 84 specimens a specially developed test setup for biaxial tensile loading was used. Two different types of textile reinforcements made from AR-glass and carbon fibres were examined. The results generally approve the findings on the structural behaviour of textile reinforcements exclusively derived from uniaxial tests. A relationship between first cracking stress level and biaxial stress ratio has been found. The characteristics of the cracking phases and during stabilized cracking, however, show no significant dependencies on the ratio of longitudinal and transverse tensile stresses. Furthermore, parallel cracks induced by transverse tensile stresses have no significant impact on the bond behaviour of longitudinal rovings. An essential result from biaxial tensile tests with carbon is the strong influence of waviness. It became clear that the reduction of waviness in coated textile reinforcement is highly load-dependent. In numerous experiments with carbon reinforcement delamination occurred during stabilized cracking – an effect, that has been observed in this large scale for the first time. The findings regarding the reduction of the waviness were subsequently applied to AR-glass and led to a revaluation of the known stiffness deficit in the phase IIb. Furthermore, the influence of reinforcement orientation has been studied on discoidal specimens under uni-axial loading. It was found that the load bearing capacity of carbon reinforcement is much more sensible to load orientation than AR-glass. A mathematical model was presented, which allows the separate description of geometric factors and as well as all other effects that reduce the fibre tensile strength

In the present work, the load-bearing behaviour of Textile Reinforced Concrete (TRC), which is a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performance fibres processed to textiles, exposed to uniaxial tensile loading was investigated based on numerical simulations. The investigations are focussed on reinforcement of multi-filament yarns of alkali-resistant glass. When embedded in concrete, these yarns are not entirely penetrated with cementitious matrix, which leads associated with the heterogeneity of the concrete and the yarns to a complex load-bearing and failure behaviour of the composite. The main objective of the work was the theoretical investigation of effects in the load-bearing behaviour of TRC, which cannot be explained solely by available experimental results. Therefore, a model was developed, which can describe the tensile behaviour of TRC in different experimental test setups with a unified approach. Neglecting effects resulting from Poisson’s effect, a one-dimensional model implemented within the framework of the Finite Element Method was established. Nevertheless, the model takes also transverse effects into account by a subdivision of the reinforcement yarns into so-called segments. The model incorporates two types of finite elements: bar and bond elements. In longitudinal direction, the bar elements are arranged in series to represent the load-bearing behaviour of matrix or reinforcement. In transverse direction these bar element chains are connected with bond elements. The model gains most of its complexity from non-linearities arising from the constitutive relations, e. g., limited tensile strength of concrete and reinforcement, tension softening of the concrete, waviness of the reinforcement and non-linear bond laws. Besides a deterministic description of the material behaviour, also a stochastic formulation based on a random field approach was introduced in the model. The model has a number of advantageous features, which are provided in this combination only in a few of the existing models concerning TRC. It provides stress distributions in the reinforcement and the concrete as well as properties of concrete crack development like crack spacing and crack widths, which are in some of the existing models input parameters and not a result of the simulations. Moreover, the successive failure of the reinforcement can be studied with the model. The model was applied to three types of tests, the filament pull-out test, the yarn pull-out test and tensile tests with multiple concrete cracking. The results of the simulations regarding the filament pull-out tests showed good correspondence with experimental data. Parametric studies were performed to investigate the influence of geometrical properties in these tests like embedding and free lengths of the filament as well as bond properties between filament and matrix. The presented results of simulations of yarn pull-out tests demonstrated the applicability of the model to this type of test. It has been shown that a relatively fine subdivision of the reinforcement is necessary to represent the successive failure of the reinforcement yarns appropriately. The presented results showed that the model can provide the distribution of failure positions in the reinforcement and the degradation development of yarns during loading. One of the main objectives of the work was to investigate effects concerning the tensile material behaviour of TRC, which could not be explained, hitherto, based solely on experimental results. Hence, a large number of parametric studies was performed concerning tensile tests with multiple concrete cracking, which reflect the tensile behaviour of TRC as occurring in practice. The results of the simulations showed that the model is able to reproduce the typical tripartite stress-strain response of TRC consisting of the uncracked state, the state of multiple matrix cracking and the post-cracking state as known from experimental investigations. The best agreement between simulated and experimental results was achieved considering scatter in the material properties of concrete as well as concrete tension softening and reinforcement waviness
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zum einaxialen Zugtragverhalten von Textilbeton. Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff bestehend aus einer Matrix aus Feinbeton und einer Bewehrung aus Multifilamentgarnen aus Hochleistungsfasern, welche zu textilen Strukturen verarbeitet sind. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Bewehrungen aus alkali-resistentem Glas. Das Tragverhalten des Verbundwerkstoffs ist komplex, was aus der Heterogenität der Matrix und der Garne sowie der unvollständigen Durchdringung der Garne mit Matrix resultiert. Das Hauptziel der Arbeit ist die theoretische Untersuchung von Effekten und Mechanismen innerhalb des Lastabtragverhaltens von Textilbeton, welche nicht vollständig anhand verfügbarer experimenteller Ergebnisse erklärt werden können. Das entsprechende Modell zur Beschreibung des Zugtragverhaltens von Textilbeton soll verschiedene experimentelle Versuchstypen mit einem einheitlichen Modell abbilden können. Unter Vernachlässigung von Querdehneffekten wurde ein eindimensionales Modell entwickelt und im Rahmen der Finite-Elemente-Methode numerisch implementiert. Es werden jedoch auch Lastabtragmechanismen in Querrichtung durch eine Unterteilung der Bewehrungsgarne in sogenannte Segmente berücksichtigt. Das Modell enthält zwei Typen von finiten Elementen: Stabelemente und Verbundelemente. In Längsrichtung werden Stabelemente kettenförmig angeordnet, um das Tragverhalten von Matrix und Bewehrung abzubilden. In Querrichtung sind die Stabelementketten mit Verbundelementen gekoppelt. Das Modell erhält seine Komplexität hauptsächlich aus Nichtlinearitäten in der Materialbeschreibung, z.B. durch begrenzte Zugfestigkeiten von Matrix und Bewehrung, Zugentfestigung der Matrix, Welligkeit der Bewehrung und nichtlineare Verbundgesetze. Neben einer deterministischen Beschreibung des Materialverhaltens beinhaltet das Modell auch eine stochastische Beschreibung auf Grundlage eines Zufallsfeldansatzes. Mit dem Modell können Spannungsverteilungen im Verbundwerkstoff und Eigenschaften der Betonrissentwicklung, z.B. in Form von Rissbreiten und Rissabständen untersucht werden, was in dieser Kombination nur mit wenigen der existierenden Modelle für Textilbeton möglich ist. In vielen der vorhandenen Modelle sind diese Eigenschaften Eingangsgrößen für die Berechnungen und keine Ergebnisse. Darüber hinaus kann anhand des Modells auch das sukzessive Versagen der Bewehrungsgarne studiert werden. Das Modell wurde auf drei verschiedene Versuchstypen angewendet: den Filamentauszugversuch, den Garnauszugversuch und Dehnkörperversuche. Die Berechnungsergebnisse zu den Filamentauszugversuchen zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten. Zudem wurden Parameterstudien durchgeführt, um Einflüsse aus Geometrieeigenschaften wie der eingebetteten und freien Filamentlänge sowie Materialeigenschaften wie dem Verbund zwischen Matrix und Filament zu untersuchen. Die Berechnungsergebnisse zum Garnauszugversuch demonstrierten die Anwendbarkeit des Modells auf diesen Versuchstyp. Es wurde gezeigt, dass für eine realitätsnahe Abbildung des Versagensverhaltens der Bewehrungsgarne eine relativ feine Auflösung der Bewehrung notwendig ist. Die Berechnungen lieferten die Verteilung von Versagenspositionen in der Bewehrung und die Entwicklung der Degradation der Garne im Belastungsverlauf. Ein Hauptziel der Arbeit war die Untersuchung von Effekten im Zugtragverhalten von Textilbeton, die bisher nicht durch experimentelle Untersuchungen erklärt werden konnten. Daher wurde eine Vielzahl von Parameterstudien zu Dehnkörpern mit mehrfacher Matrixrissbildung, welche das Zugtragverhalten von Textilbeton ähnlich praktischen Anwendungen abbilden, durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass der experimentell beobachtete dreigeteilte Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Textilbeton bestehend aus dem ungerissenen Zustand, dem Zustand der Matrixrissbildung und dem Zustand der abgeschlossenen Rissbildung vom Modell wiedergegeben wird. Die beste Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen ergab sich unter Einbeziehung von Streuungen in den Materialeigenschaften der Matrix, der Zugentfestigung der Matrix und der Welligkeit der Bewehrung

Das Trag- und Verbundverhalten textiler Bewehrungen wurde in den vergangen Jahren umfassend experimentell untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse stützen sich jedoch fast ausschließlich auf einaxiale Beanspruchungszustände. Grundsätzlich können aus dem Vergleich von Versuchen an Rovings und an textilen Bewehrungsstrukturen Rückschlüsse auf den Einfluss der Quer- und Stützfäden und der verschiedenen Bindungstechniken auf das einaxiale Tragverhalten von Textilbeton getroffen werden. Offen bleibt jedoch, inwieweit sich die gefundenen Gesetzmäßigkeiten auf mehraxiale Beanspruchungssituationen übertragen lassen. Dadurch werden Fragen bezüglich des Tragverhaltens textiler Bewehrungen unter mehraxialen Zugbeanspruchungen aufgeworfen, welche die Motivation für die vorliegende Arbeit liefern. Die hierzu durchgeführten experimentellen Untersuchungen umfassen 84 Einzelversuche und wurden in einem speziell für zweiaxiale Zugbeanspruchungen entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Als textile Bewehrungen kamen zwei verschiedene Gelegearten aus AR-Glas und Carbon zum Einsatz. Die Ergebnisse konnten die bisher ausschließlich an einaxialen Dehnkörpern gewonnenen Erkenntnisse über das Tragverhalten textiler Bewehrungen grundsätzlich bestätigen. Für den Übergang von Zustand I zum Zustand II konnte eine Abhängigkeit der Erstrissspannung vom Spannungsverhältnis nachgewiesen werden. Die Merkmale der Zustände IIa und IIb zeigen hingegen keine signifikante Abhängigkeit vom Verhältnis aus Längs- und Querzugspannung. Darüber hinaus haben offenbar durch Querzug induzierte bewehrungsparallele Risse keine maßgeblichen Auswirkungen auf das Verbundverhalten der Rovings in Längsrichtung. Eine wesentliche Erkenntnis aus den biaxialen Zugversuchen mit Carbon betrifft den Einfluss der Welligkeit. Es wurde deutlich, dass der Abbau der Welligkeit in beschichteten textilen Bewehrungen hochgradig lastabhängig ist. In zahlreichen Versuchen mit Carbon kam es innerhalb des Zustands IIb zu Delamination, einem bisher in diesem Umfang nicht beobachteten Effekt. Die Erkenntnisse hinsichtlich des Abbaus der Welligkeit wurden im Anschluss auf das Tragverhalten von AR-Glas übertragen und führten zu einer Neubewertung des bei AR-Glas beobachteten Steifigkeitsdefizits im Zustand IIb. Weiterhin wurde der Einfluss der Orientierung der Bewehrung unter einaxialer Beanspruchung an scheibenartigen Probekörpern untersucht. Es zeigte sich, dass die untersuchten Bewehrungen aus AR-Glas hinsichtlich der Tragfähigkeit bei schiefwinkliger Beanspruchung deutlich unempfindlicher reagieren als Bewehrungen aus Carbon. Für die Reduktion der effektiven Faserbruchspannungen wurde ein mathematisches Modell vorgestellt, welches eine getrennte Beschreibung der geometrischen Einflüsse sowie alle sonstigen, die Faserbruchspannung reduzierenden Effekte erlaubt.
The load bearing and bond behaviour of textile reinforcements has been comprehensively studied experimental in recent years. The findings are based almost exclusively on uniaxial loading. Generally, from the comparison of tests on rovings and fabrics conclusions can be drawn about the influence of transverse and supporting threads and different binding patterns on the uniaxial load-bearing behaviour. However, it remains open, to what extend the found principles are applicable to multi-axial loading situations. This raises questions about the load bearing behaviour under multi-axial tension loading, which provide motivation for this work. For the experimental studies on 84 specimens a specially developed test setup for biaxial tensile loading was used. Two different types of textile reinforcements made from AR-glass and carbon fibres were examined. The results generally approve the findings on the structural behaviour of textile reinforcements exclusively derived from uniaxial tests. A relationship between first cracking stress level and biaxial stress ratio has been found. The characteristics of the cracking phases and during stabilized cracking, however, show no significant dependencies on the ratio of longitudinal and transverse tensile stresses. Furthermore, parallel cracks induced by transverse tensile stresses have no significant impact on the bond behaviour of longitudinal rovings. An essential result from biaxial tensile tests with carbon is the strong influence of waviness. It became clear that the reduction of waviness in coated textile reinforcement is highly load-dependent. In numerous experiments with carbon reinforcement delamination occurred during stabilized cracking – an effect, that has been observed in this large scale for the first time. The findings regarding the reduction of the waviness were subsequently applied to AR-glass and led to a revaluation of the known stiffness deficit in the phase IIb. Furthermore, the influence of reinforcement orientation has been studied on discoidal specimens under uni-axial loading. It was found that the load bearing capacity of carbon reinforcement is much more sensible to load orientation than AR-glass. A mathematical model was presented, which allows the separate description of geometric factors and as well as all other effects that reduce the fibre tensile strength.

In the present work, the load-bearing behaviour of Textile Reinforced Concrete (TRC), which is a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performance fibres processed to textiles, exposed to uniaxial tensile loading was investigated based on numerical simulations. The investigations are focussed on reinforcement of multi-filament yarns of alkali-resistant glass. When embedded in concrete, these yarns are not entirely penetrated with cementitious matrix, which leads associated with the heterogeneity of the concrete and the yarns to a complex load-bearing and failure behaviour of the composite. The main objective of the work was the theoretical investigation of effects in the load-bearing behaviour of TRC, which cannot be explained solely by available experimental results. Therefore, a model was developed, which can describe the tensile behaviour of TRC in different experimental test setups with a unified approach. Neglecting effects resulting from Poisson’s effect, a one-dimensional model implemented within the framework of the Finite Element Method was established. Nevertheless, the model takes also transverse effects into account by a subdivision of the reinforcement yarns into so-called segments. The model incorporates two types of finite elements: bar and bond elements. In longitudinal direction, the bar elements are arranged in series to represent the load-bearing behaviour of matrix or reinforcement. In transverse direction these bar element chains are connected with bond elements. The model gains most of its complexity from non-linearities arising from the constitutive relations, e. g., limited tensile strength of concrete and reinforcement, tension softening of the concrete, waviness of the reinforcement and non-linear bond laws. Besides a deterministic description of the material behaviour, also a stochastic formulation based on a random field approach was introduced in the model. The model has a number of advantageous features, which are provided in this combination only in a few of the existing models concerning TRC. It provides stress distributions in the reinforcement and the concrete as well as properties of concrete crack development like crack spacing and crack widths, which are in some of the existing models input parameters and not a result of the simulations. Moreover, the successive failure of the reinforcement can be studied with the model. The model was applied to three types of tests, the filament pull-out test, the yarn pull-out test and tensile tests with multiple concrete cracking. The results of the simulations regarding the filament pull-out tests showed good correspondence with experimental data. Parametric studies were performed to investigate the influence of geometrical properties in these tests like embedding and free lengths of the filament as well as bond properties between filament and matrix. The presented results of simulations of yarn pull-out tests demonstrated the applicability of the model to this type of test. It has been shown that a relatively fine subdivision of the reinforcement is necessary to represent the successive failure of the reinforcement yarns appropriately. The presented results showed that the model can provide the distribution of failure positions in the reinforcement and the degradation development of yarns during loading. One of the main objectives of the work was to investigate effects concerning the tensile material behaviour of TRC, which could not be explained, hitherto, based solely on experimental results. Hence, a large number of parametric studies was performed concerning tensile tests with multiple concrete cracking, which reflect the tensile behaviour of TRC as occurring in practice. The results of the simulations showed that the model is able to reproduce the typical tripartite stress-strain response of TRC consisting of the uncracked state, the state of multiple matrix cracking and the post-cracking state as known from experimental investigations. The best agreement between simulated and experimental results was achieved considering scatter in the material properties of concrete as well as concrete tension softening and reinforcement waviness.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zum einaxialen Zugtragverhalten von Textilbeton. Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff bestehend aus einer Matrix aus Feinbeton und einer Bewehrung aus Multifilamentgarnen aus Hochleistungsfasern, welche zu textilen Strukturen verarbeitet sind. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Bewehrungen aus alkali-resistentem Glas. Das Tragverhalten des Verbundwerkstoffs ist komplex, was aus der Heterogenität der Matrix und der Garne sowie der unvollständigen Durchdringung der Garne mit Matrix resultiert. Das Hauptziel der Arbeit ist die theoretische Untersuchung von Effekten und Mechanismen innerhalb des Lastabtragverhaltens von Textilbeton, welche nicht vollständig anhand verfügbarer experimenteller Ergebnisse erklärt werden können. Das entsprechende Modell zur Beschreibung des Zugtragverhaltens von Textilbeton soll verschiedene experimentelle Versuchstypen mit einem einheitlichen Modell abbilden können. Unter Vernachlässigung von Querdehneffekten wurde ein eindimensionales Modell entwickelt und im Rahmen der Finite-Elemente-Methode numerisch implementiert. Es werden jedoch auch Lastabtragmechanismen in Querrichtung durch eine Unterteilung der Bewehrungsgarne in sogenannte Segmente berücksichtigt. Das Modell enthält zwei Typen von finiten Elementen: Stabelemente und Verbundelemente. In Längsrichtung werden Stabelemente kettenförmig angeordnet, um das Tragverhalten von Matrix und Bewehrung abzubilden. In Querrichtung sind die Stabelementketten mit Verbundelementen gekoppelt. Das Modell erhält seine Komplexität hauptsächlich aus Nichtlinearitäten in der Materialbeschreibung, z.B. durch begrenzte Zugfestigkeiten von Matrix und Bewehrung, Zugentfestigung der Matrix, Welligkeit der Bewehrung und nichtlineare Verbundgesetze. Neben einer deterministischen Beschreibung des Materialverhaltens beinhaltet das Modell auch eine stochastische Beschreibung auf Grundlage eines Zufallsfeldansatzes. Mit dem Modell können Spannungsverteilungen im Verbundwerkstoff und Eigenschaften der Betonrissentwicklung, z.B. in Form von Rissbreiten und Rissabständen untersucht werden, was in dieser Kombination nur mit wenigen der existierenden Modelle für Textilbeton möglich ist. In vielen der vorhandenen Modelle sind diese Eigenschaften Eingangsgrößen für die Berechnungen und keine Ergebnisse. Darüber hinaus kann anhand des Modells auch das sukzessive Versagen der Bewehrungsgarne studiert werden. Das Modell wurde auf drei verschiedene Versuchstypen angewendet: den Filamentauszugversuch, den Garnauszugversuch und Dehnkörperversuche. Die Berechnungsergebnisse zu den Filamentauszugversuchen zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten. Zudem wurden Parameterstudien durchgeführt, um Einflüsse aus Geometrieeigenschaften wie der eingebetteten und freien Filamentlänge sowie Materialeigenschaften wie dem Verbund zwischen Matrix und Filament zu untersuchen. Die Berechnungsergebnisse zum Garnauszugversuch demonstrierten die Anwendbarkeit des Modells auf diesen Versuchstyp. Es wurde gezeigt, dass für eine realitätsnahe Abbildung des Versagensverhaltens der Bewehrungsgarne eine relativ feine Auflösung der Bewehrung notwendig ist. Die Berechnungen lieferten die Verteilung von Versagenspositionen in der Bewehrung und die Entwicklung der Degradation der Garne im Belastungsverlauf. Ein Hauptziel der Arbeit war die Untersuchung von Effekten im Zugtragverhalten von Textilbeton, die bisher nicht durch experimentelle Untersuchungen erklärt werden konnten. Daher wurde eine Vielzahl von Parameterstudien zu Dehnkörpern mit mehrfacher Matrixrissbildung, welche das Zugtragverhalten von Textilbeton ähnlich praktischen Anwendungen abbilden, durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass der experimentell beobachtete dreigeteilte Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Textilbeton bestehend aus dem ungerissenen Zustand, dem Zustand der Matrixrissbildung und dem Zustand der abgeschlossenen Rissbildung vom Modell wiedergegeben wird. Die beste Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen ergab sich unter Einbeziehung von Streuungen in den Materialeigenschaften der Matrix, der Zugentfestigung der Matrix und der Welligkeit der Bewehrung.