Charakterisierung und Modellierung dünnwandiger Carbonbetonmembranen unter mehraxialen Spannungszuständen und biaxialer Rissbildung | Förderphase 2
Aufgrund ihres spezifischen mechanischen Verhaltens erfordern mineralisch gebundene Komposite mit nichtmetallischen Bewehrungen maßgeschneiderte Geometrien, die es ermöglichen, Lasten hauptsächlich über oberflächenparallele Membranspannungen abzutragen. Um die Tragfähigkeit solcher Strukturen zu optimieren, ist ein vertieftes Verständnis der konstitutiven Gesetze entscheidend, die die verschiedenen Tragmechanismen im gerissenen Carbonbeton beeinflussen. Diese konstitutiven Gesetze für Carbonbeton unter mehraxialen Spannungszuständen sind allerdings bisher unzureichend erforscht. In Förderphase 2 konzentrieren wir uns auf:
- die systematische experimentelle Charakterisierung und mechanische Modellierung von konstitutiven Gesetzen,
- die Untersuchung der komplexen Interaktion von Tragmechanismen in Carbonbetonbauteilen sowie
- Carbonbetonmembranen mit biaxialer Rissbildung.
Es ist eine systematische Versuchsserie geplant, um das Compression Softening in biaxial gerissenen Carbonbetonbauteilen sowie den Lastabtrag bei geraden und wellenförmigen Rissen zu charakterisieren. Dafür wird die kombinierte Torsions- und Axialkraftprüfmaschine TorAx verwendet, um die gerissenen Carbonbetonmembranen systematisch verschiedenen Kombinationen von Axial- und Querkräften zu unterziehen. Darüber hinaus wird mittels Computertomographie das Verhalten von im Betongefüge eingebetteten Garnen während der Versuche näher untersucht.
Die experimentellen Ergebnisse dienen als Basis zur Kalibrierung von mechanisch basierten konstitutiven Modellen, die für verschiedene Kombinationen von Bewehrungen und Betonmatrics gültig sind. Dabei werden auch Effekte im Zusammenhang mit additiven Fertigungsverfahren oder Extrusion berücksichtigt.
Team
52074 Aachen
52074 Aachen
Kooperationen
Ehemalige | Former involved
Prof. em. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Josef Hegger (Teilprojektleiter, RWTH Aachen, 07/2020 – 06/2024)
Sven Bosbach (wissenschaftlicher Mitarbeiter, RWTH Aachen, 07/2020 – 06/2024)
Charakterisierung und Modellierung dünnwandiger, mineralisch gebundener Membranbauteile unter mehraxialen Spannungszuständen | Förderphase 1
Mineralisch gebundene Komposite mit nichtmetallischen Bewehrungen zeichnen sich durch sehr hohe Druck- und hohe Zugtragfähigkeiten aus und eignen sich besonders für dünnwandige Strukturen wie doppelt gekrümmte Schalentragwerke oder Balkenstegen, in denen die Lasten hauptsächlich über oberflächenparallele Membranspannungen abgetragen werden. Allerdings sind die Tragmechanismen von Carbonbeton unter mehraxialen Spannungszuständen bisher unzureichend erforscht. Es ist vollkommen ungeklärt, ob die für Membranspannungszustände im Stahlbetonbau erarbeiteten Fachwerkmodelle und Druckfeldtheorien, die im Bruchzustand den Lösungen der Plastizitätstheorie entsprechen, auf Beton mit Carbonbewehrungen übertragbar sind.
Im Rahmen des Teilprojektes wird eine neue Charakterisierungsmethodik für Carbonbetonmembranen unter mehraxialen Spannungszuständen entwickelt, die eine detaillierte Erforschung aller am Lastabtrag beteiligten Tragmechanismen ermöglicht. Die neuartigen Versuchsanordnungen beheben die Defizite bekannter Prüfmethoden und erlauben die reproduzierbare Charakterisierung aller konstitutiven Gesetze. Aufbauend hierauf wird eine neue, werkstoffgerechte Druckfeldtheorie entwickelt, die eine realistische Beurteilung des Trag- und Verformungsvermögens von Carbonbetonmembranen im ebenen Spannungszustand ermöglicht und die Untersuchung der Anwendungsgrenzen der Plastizitätstheorie auf Carbonbeton ermöglicht.
Angegliedert an das Projekt C02 ist das Ergänzungsprojekt C02*: Systematische Untersuchungen zur Interaktion der Querkrafttraganteile in Querkraftmodellen.
Publikationen | Publications
Backes, J. G.; Schmidt, L.; Bielak, J.; Del Rosario, P.; Traverso, M.; Claßen, M. (2023) Comparative Cradle-to-Grave Carbon Footprint of a CFRP-Grid Reinforced Concrete Façade Panel in Sustainability 15, 11548 – DOI: 10.3390/su151511548
Becks, H.; Bielak, J.; Camps, B.; Hegger, J. (2021) Application of fiber optic measurement in textile-reinforced concrete testing in: Structural Concrete 23, p. 2600–2614 – DOI: 10.1002/suco.202100252
Becks, H.; Schmidt, M.; Bosbach, S.; Classen, M. (2024) Large-scale combined torsional and axial loading system (TorAx) – A new perspective on multiaxial testing of fracture and stress transfer in plain and reinforced concrete in: Engineering Structures 302, 117391 – DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.117391
Bosbach, S.; Bielak, J.; Schmidt, C.; Hegger, J.; Classen, M. (2023) Influence of transverse tension on the compressive strength of carbon reinforced concrete in: Proc. of 11th Int. Conf. on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering (CICE 2023), 17.–19.05.2023 in Rio de Janeiro (Brazil), paper 328 – DOI: 10.5281/zenodo.8108957
Bosbach, S.; Hegger, J.; Claßen, M. (2023) Dowel action of textile CFRP shear reinforcement in carbon reinforced concrete in: Construction and Building Materials 411 – DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.134106
Bosbach, S.; Hegger, J.; Claßen, M. (2023) Untersuchungen zur Dübelwirkung in Carbonbetonbauteilen in: Claßen, M.; Hegger, J.; Matschei, T.; Raupach, M. [eds.] Beiträge zur 10. DAfStb-Jahrestagung mit 62. Forschungskolloquium, 26./27.09.2023 in Aachen, p. 119–130 – DOI: 10.18154/RWTH-2023-08021
Bosbach, S.; Kalthoff, M.; Morales Cruz, C.; Adam, V.; Matschei, T.; Classen, M. (2023) Digital Prefabrication of Lightweight Building Elements for Circular Economy: Material-Minimised Ribbed Floor Slabs Made of Extruded Carbon Reinforced Concrete (ExCRC) in: Buildings 13, issue 12, 2928 – DOI: 10.3390/buildings13122928
Bosbach, S.; Schmidt, M.; Becks, H.; Claßen, M.; Hegger, J. (2022) Investigations on shear transfer by aggregate interlock with a unique test setup (TorAx) in: Zingoni, A. [ed.] Current Perspectives and New Directions in Mechanics, Modelling and Design of Structural Systems – Proceedings of The 8th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation, London: CRC Press, p. 1265–1270.
Bosbach, S.; Schmidt, M.; Claßen, M.; Hegger, J. (2022) Investigations on dowel action in carbon reinforced concrete in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 1809–1819.
Bosbach, S.; Schmidt, C.; Hegger, J.; Classen, M. (2024) Influence of Concrete Cover on Compression Softening of Carbon reinforced Concrete in: Fehling, E.; Middendorf, B.; Thiemicke, J. [eds.] Proc. of HiPerMat 2024 – 6th Int. Symp. On Ultra-High Performance Concrete and High Performance Building Materials for Sustainable Construction, 06.–08.03.2024 in Kassel, p. 59–63 – Link Proc.
Fattahi, M.; Schmidt, M.; Bosbach, S.; Noel, M.; Hegger, J.; Classen, M. (2023) Evaluation of FRP-reinforced concrete members without shear reinforcement – Analysis using Shear Crack Propagation Theory (SCPT) in: Proc. of 11th Int. Conf. on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering (CICE 2023), 17.–19.05.2023 in Rio de Janeiro (Brazil), paper 103 – DOI: 10.5281/zenodo.8092110
Kalthoff, M.; Bosbach, S.; Backes, J.; Morales Cruz, C.; Traverso, M.; Claßen, M.; Raupach, M.; Matschei, T. (2023) Fabrication of lightweight, carbon textile reinforced concrete components with internally nested lattice structure using 2-layer extrusion by LabMorTex in: Construction and Building Materials 395, 132334 – DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132334
Kalthoff, M.; Bosbach, S.; Matschei, T.; Raupach, M.; Claßen, M.; Hegger, J. (2022) Investigations on material-minimized slabs made of extruded carbon reinforced concrete in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 1047–1057.
Liebold, F.; Bergmann, S.; Bosbach, S.; Adam, V.; Marx, S.; Claßen, M.; Hegger, J.; Maas, H.-G. (2023) Photogrammetric Image Sequence Analysis for Deformation Measurement and Crack Detection Applied to a Shear Test on a Carbon Reinforced Concrete Member in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 350, Cham: Springer, p. 1273–1282 – DOI: 10.1007/978-3-031-32511-3_130
Morales Cruz, C., Bosbach, S., Kalthoff, M., Beckmann, B., Matschei, T. and Classen, M. (2024), Materialminimierte Rippen- und Wabendecken aus extrudierten Carbonbetonstegen. Beton- und Stahlbetonbau, 119: 873-881. https://doi.org/10.1002/best.202400069
Platen, J.; Storm, J.; Bosbach, S.; Claßen, M.; Kaliske, M. (2024) The microlayer model: A novel analytical homogenisation scheme for materials with rigid particles and deformable matrix matrix – applied to simulate concrete in: Computers & Structures 293, 107258 – DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2023.107258
Studentische Arbeiten | Student's theses
Nashef, M. (2021) Untersuchungen zur Druck-Zug-Festigkeit von Carbonbeton [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Bachem, J. (2022) Untersuchungen zum Compression Softening in Carbonbeton [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Gerst, L. (2022) Untersuchungen zum Einfluss einer Querzugbelastung auf die Druckfestigkeit von Carbonbeton [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Gümüskaya, B. (2022) Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Herstellung von extrudierten carbonbewehrten aufgelösten Deckenelementen [Masterarbeit | Master's thesis] (mit | with D02)
Löb, M. (2022) Untersuchungen zur Rissreibung mit einer neuartigen kombinierten Torsions- und Axialkraftprüfmaschine [Masterarbeit | Master's thesis]
Mayer, M. (2022) Entwicklung eines Druckfeldmodells für Bauteile mit Querkraftbewehrung [Masterarbeit | Master's thesis]
Singraven, J. (2022) Untersuchungen zur Druck-Zug-Festigkeit von gerissenen Carbonbetonmembranen [Masterarbeit | Master's thesis]
Stöhr, B. (2022) Untersuchungen zur Dübelwirkung in querkraftbewehrten Carbonbetonbauteilen [Masterarbeit | Master's thesis]
Bouafi, S. (2023) Untersuchungen zum Einfluss einer Querzugbelastung auf die Druckfestigkeit von Carbonbeton [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Brahimi, F. (2023) Experimentelle Untersuchungen zum Materialverhalten einer modifizierten Carbonbewehrung [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis] (mit | with B03)
Koh, G.-H. (2023) Untersuchungen zur Herstellung und Prüfung von dünnwandigen Betonrohren für eine neuartige kombinierte Torsions- und Axialkraftprüfmaschine [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Mesecar, Z. (2023) Untersuchungen zum Tragverhalten von Carbonbeton unter kombinierter Druck- und Querzugbelastung [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Nelleßen, L. (2023) Untersuchungen zur Dübelwirkung der Querkraftbewehrung in Carbonbetonbauteilen [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Rosenkranz, M. (2023) Experimentelle Untersuchungen zur Dübelwirkung der Längsbewehrung in Carbonbetonbauteilen [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Schütte, E. (2023) Untersuchungen zum Einfluss der Längsdehnung und des Bewehrungsgrades auf die Dübelwirkung der Biegezugbewehrung in Carbonbetonbauteilen [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Spangemacher, P. (2023) Experimentelle Untersuchungen zur Dübelwirkung in querkraftbewehrten Carbonbetonbauteilen [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Thoeren, T. (2023) Untersuchungen zum Einfluss schiefwinkliger Bewehrung auf die Druckfestigkeit von Carbonbeton unter gleichzeitig wirkendem Querzug [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]