Bond, crack width and deflection in non-metallic textile reinforced concrete structures

Schmidt, Christopher; Curbach, Manfred; Claßen, Martin; Hegger, Josef

doi:45219

Bond, crack width and deflection in non-metallic textile reinforced concrete structures

Schmidt, Christopher^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christopher Marvin Schmidt

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hegger, Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Claßen, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Curbach, Manfred (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-01-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03833
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032849/files/1032849.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DAfStb Richtlinie Nichtmetallisch bewehrte Betonbauteile (frei) ; Durchbiegung und Verformung (frei) ; Eurocode 2 (frei) ; FOS (frei) ; Gebrauchstauglichkeit (frei) ; Rissbreite (frei) ; Rissöffnungsversuche (frei) ; Verbund (frei) ; bond behaviour (frei) ; crack opening tensile test (frei) ; crack width (frei) ; deflection (frei) ; faseroptische Messtechnik (frei) ; fibre optic sensor (frei) ; nichtmetallisch textilbewehrte Betonbauteilen (frei) ; non-metallic textile reinforced concrete (frei) ; physically based model (frei) ; physikalisch basiertes Modell (frei) ; serviceabilitiy limit state (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Verwendung von nichtmetallischer textiler Bewehrung ermöglicht die Realisierung schlanker Betonbauteile, die sich durch hohe Tragfähigkeit, niedrigen Materialverbrauch und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Aufgrund der damit verbundenen geringen Betondeckung sind bei Ausnutzung der hohen Zugfestigkeit der nichtmetallischen Bewehrung häufig die Nachweise zur Begrenzung der Rissbreite und Durchbiegung im Gebrauchszustand maßgebend. Dabei stellt insbesondere das unterschiedliche Verbundverhalten der textilen Gitterbewehrungen aufgrund der Materialvielfalt und individuellen Formgebung eine große Herausforderung bei der Herleitung von Modellen und Ansätzen zur Rissbreitenprognose dar. Für Biegebauteile werden außerdem zuverlässige Modelle zur Ermittlung der Durchbiegung benötigt, die auch die Mitwirkung des Betons im Zugbereich (Tension Stiffening) zutreffend erfassen müssen, wenn das Potential der hochfesten nichtmetallischen Bewehrung ausgeschöpft werden soll. Physikalisch basierte Modelle zur Ermittlung von Rissbreite und Durchbiegung bei Bauteilen mit nichtmetallischer textiler Bewehrung bieten hier die Möglichkeit einer hohen Zuverlässigkeit und sind gleichzeitig für die unterschiedlichen Materialien und Formen der textilen Gitterbewehrung anwendbar. Die Grundlage zur Herleitung eines physikalisch basierten Modelles zur Rissbreitenprognose bilden experimentelle Untersuchungen, die eine umfassende Charakterisierung des Verbundverhaltens in Abhängigkeit von Querschnittsform, Oberflächenstruktur und Steifigkeit der textilen Gitterbewehrung erlauben. Anhand von Rissöffnungsversuchen (crack opening tensile tests) und deren Analyse unter Verwendung von faseroptischer Messtechnik wird eine analytische Beziehung zur Beschreibung der Rissöffnung in Abhängigkeit der maßgeblichen Einflüsse von Bewehrungsspannung, Bewehrungsgrad und Verbundverhalten abgeleitet. Unter Berücksichtigung von Tension Stiffening unterscheidet der Ansatz zwischen Einzelrissbildung und abgeschlossener Rissbildung und erfasst so die maßgebenden Charakteristika der unterschiedlichen textilen Bewehrungen. Die Erweiterung des Modells zur Rissbreitenprognose anhand von statischen und zyklischen Dehnkörperversuchen, ermöglicht die Berücksichtigung des Einflusses mehrlagiger Bewehrung durch den Ansatz einer effektiven Verbundfläche, da nicht die gesamte Oberfläche der einzelnen Bewehrungsstränge bei der Übertragung der Verbundkräfte mitwirken. Außerdem wird der Einfluss der Querschnittsform der Bewehrungsstränge auf den Rissabstand durch einen Geometriefaktor erfasst. Somit werden die ungleichmäßigen Spannungskonzentrationen der elliptischen Querschnitte berücksichtigt, die auch zu Spaltrissen führen können. Mit dem Modell lässt sich auch die Zunahme der Rissbreite infolge zyklischer Beanspruchung zutreffend prognostizieren. Die Validierung des Modelles anhand der Dehnkörperversuche und die nachgewiesene Übertragbarkeit auf Biegebauteile anhand von 4-Punkt-Biegeversuchen ermöglicht zudem Vergleiche mit den verschiedenen Bemessungskonzepten zur Rissbreitenprognose der DAfStb-Richtlinie und des zukünftigen Eurocodes 2. Die Auswertungen verdeutlichen die höhere Leistungsfähigkeit des neuen Modellansatzes. Die Methodik zur analytischen Beschreibung der Verbundspannung unter Verwendung von Rissöffnungsversuchen ermöglicht es, das physikalisch basierte Modell zur Rissbreitenprognose in Betonbauteilen für beliebige nichtmetallische textile Bewehrungen anzupassen. Zur genaueren Bestimmung der Biegeverformung von nichtmetallisch bewehrten Bauteilen wird abschließend ein Verfahren aufgezeigt, das neben einer iterativen Ermittlung der Querschnittskrümmungen die Einflüsse aus Tension Stiffening erfasst. Die Leistungsfähigkeit des Modells wird anhand der Biegeversuche bestätigt, das auch den Verformungszuwachs infolge zyklischer Belastung zutreffend abbildet, der neben dem Betonkriechen in der Druckzone vor allem auf den Verlust der verstiefenden Wirkung aus Tension Stiffening zurückzuführen ist. Das entwickelte Modell ermöglicht folglich die praxisnahe Bestimmung der Biegeverformungen unter statischen und zyklischen Beanspruchungen.

Non-metallic textile reinforcement enables the construction of slender concrete structures, characterised by increased structural capacity, reduced material consumption and inherent corrosion resistance. The slender design featuring a thinner concrete cover, combined with the utilisation of the high tensile strength of non-metallic reinforcement, has directed greater focus towards limiting crack width and deflection at the serviceability state, as both often govern the design. In particular, the considerable diversity in bond behaviour exhibited by textile grids, arising from differences in both materials and geometries, poses a significant challenge when developing models and approaches. For flexural members, reliable models are required to predict the deflection, which must adequately capture the effects of tension stiffening to fully exploit the potential of high-strength non-metallic reinforcement. Therefore, physically based models for determining crack width and deflection in members with non-metallic textile reinforcement are required, which are reliable and also applicable across a wide range of textile reinforcement materials and geometries. To derive a physically based model for predicting crack widths, a comprehensive characterisation of the bond behaviour is initially performed, addressing cross-sectional geometry, surface and stiffness of the textile girds. Based on crack opening tensile tests and their analysis using fibre optic measurements, a model is derived that describes the evolution of crack opening in relation to reinforcement stress, reinforcement ratio and bond behaviour, while accounting for tension stiffening. This approach, which distinguishes between single cracks and stabilised cracking, enables the identification of the relevant characteristics for various non-metallic textile reinforcements. The model for crack width prediction is expanded and validated using uniaxial tensile tests. In the case of multiple reinforcement layers, the capacity of bond stress is reduced by introducing an equivalent circumference, as the whole bond area does not fully contribute to the force transfer. Furthermore, the influence of the elliptical cross-sectional geometry of the fibre strands on the crack spacing is captured by a geometrically based stress-intensifying factor. This addresses the influence of the uneven multi-axial tensile stress state in the concrete, which also provokes splitting cracks. The model is also capable of accurately predicting the increase in crack width resulting from cyclic loading. Comparisons between the proposed model and the design concepts for crack width prediction in the German DAfStb Guideline and the Final Draft of the Preliminary Eurocode 2, considering uniaxial tension and flexural loading, demonstrate the improved performance of the new model approach. The methodology of using crack opening tensile tests in conjunction with the analytical approach of the bond stress-crack opening relation enables the physically based model to be adapted for predicting crack widths in concrete members with any type of non-metallic textile reinforcement. Finally, to more accurately determine the deflection of members with non-metallic reinforcement, a method is presented that adequately captures the effects of tension stiffening by iteratively calculating the cross-sectional curvatures. Validation of the model using four-point bending tests also confirms that the increase in deflection due to cyclic loading is primarily attributable to the loss of tension stiffening, in addition to concrete creep in the compression zone. The derived method thus enables the practical determination of deflections under static and cyclic loads.

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