Zusammenfassung:
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.
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