title: Zum Verbund von metallischen Fasern mit Endhaken in UHPC
Creators: name: Khawatmi, Sinan
Publisher: name: Universität Kassel
Year: 2025
Subjects: subject: Verbund
subject: metallische Fasern
subject: Ultrahochleistungsbeton
subject: Formgedächtnislegierung
classificationCode: 620
subject: 620
classificationCode: Ultrahochfester Beton
subject: Ultrahochfester Beton
classificationCode: Metallfaser
subject: Metallfaser
classificationCode: Verbundwerkstoff
subject: Verbundwerkstoff
classificationCode: Memory-Legierung
subject: Memory-Legierung

description: <p>Ultrahochleistungsbeton (UHPC) ist ein Beton, der aufgrund seiner Zusammensetzung hohe Leistungen bzw. Festigkeiten erreicht. Die hohe Festigkeit des UHPCs ist jedoch mit Sprödigkeit verbunden. Durch das Hinzufügen von kurzen Stahlfasern kann ein duktileres Verhalten erzielt werden. Durch den Einsatz von Vorspannung können in Betonbauteilen höhere Lasten, größere Spannweiten sowie schlankere Querschnitte ermöglicht werden. Diese Vorgehensweise kann aus technischen Gründen leider bisher nicht auf Stahlfasern im UHPC angewendet werden.
Formgedächtnislegierungen (FGL) bewirkten durch die mit ihnen möglichen Effekten neue wichtige Perspektiven in der Bauindustrie. Eine vielversprechende Eigenschaft ist die Möglichkeit der nachträglichen Vorspannung von Bauteilen durch Erwärmung. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Ausnutzung von der dadurch entstehenden Superelastizität, wobei die Bauelemente große inelastische Verformungen erfahren und beim Entlasten in die ursprüngliche Form zurückkehren.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Verbund der neuen Komposite untersucht, in die kurze FGL-Fasern mit Endhaken in UHPC eingebettet sind. Die Endhaken der Fasern dienen in diesem Fall als Verankerungen, wodurch den Verbund erhöht werden kann.
Es wurden umfassende experimentelle Testserien mit Auszugsversuchen durchgeführt, um das Verbundverhalten zu charakterisieren. Hierbei wurden die Hakenkomplexität, die Betonfestigkeit und die Faserfestigkeit berücksichtigt. Der Auszug metallischer Fasern aus Stahl bzw. FGL, die im UHPC bzw. in einem zementösen Mörtel eingebettet waren, wurde für drei verschiedene Hakengeometrien untersucht.
Die Ergebnisse zeigen einen klaren Einfluss der Hakenexistenz auf die Verbundfestigkeit der metallischen Faser. Dies betrifft sowohl die maximale Auszugskraft als auch die Gesamtarbeit während des Auszugs der Faser. Die Ergebnisse zeigen größere Auszugskräfte bei einer festeren umliegenden Matrix aufgrund der dadurch hervorgerufenen Fähigkeit, die Fasern zu begradigen. Der mechanische Effekt der NiTi-FGL-Faser wurde belegt, da diese Fasern nach der martensitischen Umwandlung mehr Widerstand gegen Auszug entwickelt haben.
Es wird ein analytischer Ansatz, der auf dem Arbeitsprinzip basiert, vorgeschlagen, um den Verbund metallischer Fasern mit Endhaken im Beton zu modellieren. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Untersuchungen. Am Ende werden die experimentellen Versuche mit der Finite-Elemente-Methode simuliert, und die Ergebnisse werden verglichen und validiert.</p>
description: <p>Ultra-high-performance concrete (UHPC) is a concrete that has high performance or strength due to its composition. However, the high strength of UHPC is associated with brittleness. By adding short steel fibers, more ductile behavior can be achieved. It was also possible to allow higher loads, longer spans as well as slimmer cross sections in concrete members by using prestressing. Unfortunately, this approach cannot be applied yet to steel fibers in UHPC for technical reasons.
Shape memory alloys (SMA) have opened new important perspectives in the construction industry due to their effects. Promising perspectives include the possibility of subsequent prestressing of components by suitable heating and the utilization of superelasticity, where significant inelastic deformations are experienced and return to the original shape after unloading.
In this work, new composites materials were studied, where short SMA fibers with end hooks were embedded in UHPC. In this case, the end hooks of the fibers acted as anchors, which can increase the bond.
Comprehensive experimental investigations were carried out using pull-out tests to characterize the composite behavior, where the influence of hook complexity, concrete strength and fiber strength were considered. The pullout of metallic fibers made of steel and SMA, which were embedded in UHPC and cementitious mortar, respectively, was investigated for three different hook geometries.
The results showed a clear influence of the hook existence on the bond strength of the metallic fiber. This corresponds to the maximum pull-out force as well as the total resistive work during fiber pull-out. The results showed greater pullout forces with the stronger surrounding matrix due to its greater ability to straighten fibers. The mechanical effect of the NiTi-SMA fiber was notable, as these fibers exhibited increased resistance to pullout after martensitic transformation.
An analytical approach based on the work-principle was proposed to predict the bond of metallic fibers with end hooks in concrete. The results showed good agreement with those obtained from the experimental studies. Finally, the experimental tests were simulated using the finite element method and the results were compared and validated.</p>