Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische ... - Ulaga Partner AG

Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Lamellen
für die Verstärkung von Betontragwerken
Tomaž Ulaga 1)
Urs Meier 2)
Zürich, März 2002
1) Dipl. Bauing. ETH, Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK),
ETH Hönggerberg, 8093 Zürich
2) Prof., EMPA Dübendorf, Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung 5
1 Einleitung 7
1.1 Problemstellung 7
1.2 Projektorganisation 8
1.3 Zielsetzung und Vorgehen 8
2 Die thermoplastische Lamelle 11
2.1 Grundlagen 11
2.1.1 Anlehnung an die Lamelle Sika CarboDur S512 11
2.1.2 Die Komponenten des Faserverbundwerkstoffs 12
2.1.3 Verfahren für die Lamellenherstellung 16
2.2 Entwicklung 18
2.2.1 Evaluierung der Fasern 18
2.2.2 Evaluierung des Matrixwerkstoffs 20
2.2.3 Zugscherversuche an verklebten Testlamellen 23
2.2.4 Die „T700S + PA12“ - Lamelle 25
3 Bauteilversuche 37
3.1 Versuchsprogramm 37
3.2 Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche 40
3.2.1 Der Träger PS 40
3.2.2 Versuchsdurchführung 44
3.2.3 Versuchsresultate 49
3.3 Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum 63
3.3.1 Der Träger LV 63
3.3.2 Versuchsdurchführung 66
3.3.3 Versuchsresultate 71
3.4 Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch 83
3.4.1 Der Träger ET 83
3.4.2 Versuchsdurchführung 86
3.4.3 Kurzbeschreibung der Versuche an Balken 1 und B1 90
3.4.4 Versuchsresultate 91
4 Weitere Erkenntnisse 103
4.1 Aufrollversuch 103
4.2 Haftzugversuch 105
Verdankungen 107
Bezeichnungen 109
Literatur 111
3

Zusammenfassung
Im Rahmen des KTI-Projektes 3795.1 haben die Partner EMPA Dübendorf, Sika
(Schweiz) AG und Sulzer Composites eine neuartige kohlenstofffaserverstärkte Lamelle
für die Verstärkung von Betonbauwerken entwickelt und geprüft. Bei den bisherigen
Produkten besteht die Matrix aus einem duromeren Kunststoff, der wegen seiner beschränkten
Aushärtungsgeschwindigkeit einen nur langsamen Herstellungsprozess ermöglicht.
In der neuen Lamelle sind die Fasern in einem thermoplastischen Polymer
eingebettet. Dieses Produkt kann schneller produziert werden und hat deshalb vor allem
wirtschaftliche Vorteile gegenüber den marktüblichen Lamellen.
In einer ersten Projektphase ging es um die Entwicklung der thermoplastischen Lamelle.
Verschiedene Fasern und Kunststofftypen wurden bezüglich der technischen Eigenschaften,
der Verarbeitbarkeit und der Wirtschaftlichkeit verglichen. Für die
Untersuchungen der Applizierbarkeit mit einem Epoxidharzklebstoff wurden Zugscherversuche
an verklebten Prototypen durchgeführt.
Aufgrund dieser Voruntersuchungen wurden die Faser T700S und der thermoplastische
Matrixwerkstoff PA12 als aussichtsreichste Verbundpartner erachtet. Die aus diesen
Komponenten hergestellte Lamelle hatte sowohl bezüglich der technischen
Eigenschaften als auch bezüglich des Aussehens eine recht grosse Ähnlichkeit zu bereits
etablierten Produkten.
Für die Untersuchung der Einsatztauglichkeit im Bauwesen wurden drei Typen von
praxisrelevanten Bauteilversuchen durchgeführt.
Die Versuchskörper der Serie PS waren Betonbalken mit einer Spannweite von
2.1 m, die Biegezugzone war mit je zwei CFK-Lamellen verstärkt. Die Träger wurden
im Vierpunkt-Biegeversuch geprüft, um die Wirkung der Lamellen zu erfassen. Die
Versuche konnten die Verstärkungswirkung der neuartigen Lamelle im statisch durchgeführten
Kurzzeitversuch bestätigen sowie ein gewisses Verbesserungspotenzial aufzeigen.
Das Verhalten bei Langzeitbeanspruchungen wurde mit den Versuchen der Serie LV
untersucht. Die mit einer Lamelle in der Biegezugzone verstärkten Träger hatten eine
Spannweite von 2.3 m und waren einer permanent wirkenden, hohen Biegebeanspruchung
ausgesetzt. Die Temperatur und die Feuchtigkeit wurden während etwa einem
Jahr schrittweise erhöht und danach ein weiteres Jahr bei 55°C und 80% rel. F. belassen.
Schon zu Beginn dieser anspruchsvollen Klimastufe versagte der mit dem herkömmlichen
Produkt Sika CarboDur S512 verstärkte Versuchskörper infolge Erweichung des
Klebstoffs Sikadur-30. Der mit der thermoplastischen Lamelle verstärkte Träger zeigte
- trotz der Verwendung des gleichen Klebstoffs - bis Ende des Beobachtungszeitraums
keine Anzeichen, die auf ein Versagen hindeuteten. Die Versuche konnten zeigen, dass
beide Verstärkungssysteme ein günstiges Langzeitverhalten aufweisen, solange die
produktebedingten klimatischen Grenzen eingehalten werden.
Das Ermüdungsverhalten der thermoplastischen Lamelle wurde im Versuch ET untersucht.
Ein Plattenbalken mit 6 m Spannweite wurde mit vier Lamellen verstärkt und
5

insgesamt 10 Millionen Lastzyklen ausgesetzt, wobei während der zweiten Hälfte dieser
Ermüdungsphase eine Luftfeuchtigkeit von 95% herrschte. Danach wurde die Last statisch
erhöht, bis das Trägerversagen erreicht war. Der Versuch zeigte, dass die neue
thermoplastische Lamelle bezüglich der Ermüdungsempfindlichkeit ähnlich unsensibel
ist, wie die handelsüblichen CFK-Lamellen.
Die Versuche an den wirklichkeitsnahen Betonbauteilen haben gezeigt, dass die
thermoplastische Lamelle – eingesetzt als geklebte Bewehrung – sehr ähnlich wirkt, wie
das zu Vergleichszwecken beigezogene marktübliche Produkt. Die unterschiedliche
Steifigkeit führte erwartungsgemäss zu geringen Abweichungen im quantitativ erfassten
Versuchsverlauf.
Aufgrund dieser Resultate kann die thermoplastische Lamelle als gleichwertig zu den
gängigen Produkten eingestuft werden. Sie eignet sich also für die langfristige (oder
kurzfristige) Verstärkung von Betontragwerken unter statischer Last oder Wechsellast,
wobei bezüglich den klimatischen Bedingungen die gleichen Einschränkungen gelten
wie bei den duromeren Lamellen.
Neben der mechanischen Wirkungsweise wurde auch die für die Praxis wichtige
Handhabbarkeit untersucht. Hierbei konnten gewisse Schwächen bezüglich der Kriechneigung
der PA12-Matrix bei erhöhten Temperaturen sowie bezüglich der interlaminaren
Zugfestigkeit festgestellt und behoben werden. Aus den hierbei gemachten
Erkenntnissen folgt, dass ein Mindestmatrixgehalt eingehalten werden muss, damit
diese die Funktion der Faserfixierung erfüllen kann.
6

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
Viele der heute bestehenden Betonbauten befinden sich im Mittelbereich der ursprünglich
vorgesehenen Nutzungsdauer. Nach Jahren der Alterung machen sich oft Projektierungs-
und Ausführungsfehler bemerkbar oder es entsteht das Bedürfnis, das Tragwerk
zu verändern um es danach für einen anderen Zweck als bis anhin zu nutzen. Eine
Überprüfung ergibt, dass in Anbetracht dieser Umstände einige Tragwerksteile den an
sie gestellten Anforderungen nicht mehr genügen und daher verstärkt werden müssen.
Eine seit Mitte der 90er Jahre übliche Verstärkungsmethode ist das Ankleben kohlenstofffaserverstärkter
Kunststofflamellen (CFK-Lamellen) als Ergänzung der innenliegenden
Stahlbewehrung zur Erhöhung des Biegewiderstands. Die Grundlagen dieses
Verfahrens wurden in den 80er Jahren an der EMPA Dübendorf geschaffen. Die beeindruckenden
Resultate führten zu intensiven Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an
dieser Anstalt und an verschiedenen Institutionen weltweit. Seit dem Durchbruch in der
Praxis ist das Verlangen nach CFK-Lamellen stetig gestiegen, eine Tendenz, die weiterhin
anhält.
Einige der ersten Anwendungen wurden mit einer Lamelle realisiert, die von der
Schweizer Firma Stesalit AG (Zullwil, SO) entwickelt und produziert wurde (z.B. Verstärkung
der Holzbrücke bei Sins, Meier et al. [18] ). Das heute von der Sika AG vertriebene
Verstärkungssystem Sika CarboDur umfasst verschiedene Lamellentypen,
diese entsprechen aber im wesentlichen immer noch dem damals verwendeten Produkt:
Die streifenförmigen Lamellen bestehen zu etwa 70% aus unidirektional angeordneten
Kohlenstofffasern, die in eine Epoxidharzmatrix eingebettet sind und von dieser zusammengehalten
werden. Bei der Herstellung wird das Aushärten der Matrix zum geschwindigkeitslimitierenden
Prozess, so dass nur eine bescheidene
Herstellungsgeschwindigkeit, begleitet von entsprechend hohen Produktionskosten, erreicht
werden kann.
Mit einem schnelleren Herstellungsprozess könnte eine kostengünstigere Lamelle
produziert werden. Eine Möglichkeit, um dies zu erreichen, wäre der Ersatz des duroplastischen
durch einen thermoplastischen Matrixwerkstoff. Die Erstarrung dieser
Kunststoffe kann um Grössenordnungen schneller ablaufen als die Vernetzung der bisher
verwendeten Epoxidharzsysteme.
7

Einleitung
1.2 Projektorganisation
Projektbeteiligte: EMPA Dübendorf (im Folgenden genannt EMPA)
CH - 8600 Dübendorf
Unterstützung durch:
als:
Projektbeginn:
Projektende:
Sika (Schweiz) AG (im Folgenden genannt Sika)
CH - 8048 Zürich
Sulzer Markets and
Technology AG,
Sulzer Composites 1) (im Folgenden genannt Sulzer)
CH - 8401 Winterthur
1) vormals Sulzer Innotec AG, Gruppe Faserverbundwerkstoffe
Kommission für Technik und Innovation (KTI)
KTI-Projekt 3795.1: Verstärkung von Bauwerken mit
kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Polymerbändern
1998
2001
1.3 Zielsetzung und Vorgehen
Das Ziel des KTI-Projektes 3795.1 war die Entwicklung einer thermoplastischen Lamelle
für die Biegeverstärkung von Betontragwerken, die bezüglich ihrer Eigenschaften
vergleichbar ist mit den bereits auf dem Markt etablierten Produkten, der Herstellungsprozess
aber schneller und damit kostengünstiger.
Entsprechend den aus der Zielbeschreibung folgenden Projektphasen wurden die
Aufgabenbereiche unter den Projektpartnern verteilt: die Sulzer war federführend zuständig
für die Entwicklung der Lamelle, die EMPA übernahm die Durchführung von
Bauteilversuchen zur Untersuchung der Wirksamkeit und die Sika prüfte die Eignung
8

Zielsetzung und Vorgehen
verschiedener Klebstoffe und koordinierte den Gang der Arbeiten hinsichtlich einer
später folgenden Markteinführung.
Im Rahmen der Lamellenentwicklung war das erste Teilziel die Zusammenstellung
und Evaluierung verschiedener Kohlenstofffasern und Matrixwerkstoffe, die sowohl in
technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht eine sinnvolle Kombination versprachen.
Schon von Beginn an wurde beachtet, dass für die Kraftübertragung zwischen der
Lamelle und dem zu verstärkenden Bauteil ein ausreichender Verbund mit dem für die
Applikation vorgesehenen Klebstoff erreicht werden muss. Hierbei wurde gefordert,
dass dieser Verbund bessere Festigkeitseigenschaften aufweist als das Betongefüge des
zu verstärkenden Bauteils und dadurch nicht zum kritischen Element im System wird.
Schliesslich liessen sich die Anforderungen an das neue Produkt zu drei Hauptpunkten
zusammenfassen:
� Schnell und wirtschaftlich produzierbare Lamelle mit thermoplastischer Matrix.
� Ähnlichkeit zu bereits auf dem Markt etablierten Produkten (bezüglich der technischen
Eigenschaften, der Applikation und des Aussehens).
� Ausreichende Verbundfestigkeit zum favorisierten Klebstoff.
Zur Untersuchung der Wirksamkeit waren Versuche an wirklichkeitsnahen Bauteilen
vorgesehen. Das Versuchsprogramm wurde so zusammengestellt, dass einige wichtige
Fragen betreffend dem neuen Material beantwortet werden konnten. Folgende Aspekte
standen hierbei im Vordergrund:
� Kann die thermoplastische Lamelle gleich appliziert werden, wie die bisherigen Produkte?
� Wie verhält sich ein mit thermoplastischer Lamelle verstärkter Träger...
...bei statischer Beanspruchungserhöhung bis zum Versagen?
...bei Langzeitbeanspruchung mit erhöhten klimatischen Anforderungen?
...bei einer hohen Anzahl von Lastwechseln kombiniert mit erhöhter Feuchtigkeit?
� Gibt es spezielle Berechnungs- oder Bemessungsregeln für Träger, die mit einer
thermoplastischen Lamelle verstärkt sind?
Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften war die Durchführung einfacher
Werkstoffprüfungen geplant. Der Projektpartner Sika übernahm die Duchführung von
Zugscherversuchen für die Kontrolle der Verbundfestigkeit Lamelle-Klebstoff und von
Aufroll- sowie Haftzugversuchen zur Prüfung der Handhabbarkeit.
Parallel zum Versuch mit der thermoplastischen Lamelle war stets auch ein Versuch
mit dem handelsüblichen Produkt Sika CarboDur S512 vorgesehen. So konnten die
Resultate verglichen und die Wirkung der neuen Lamelle beurteilt werden.
9

2 Die thermoplastische Lamelle
2.1 Grundlagen
2.1.1 Anlehnung an die Lamelle Sika CarboDur S512
In den vergangenen Jahren haben sich mehrere Produktreihen von CFK-Lamellen auf
dem Markt etabliert. Die Geometrie und die Eigenschaften sind auf den Verwendungszweck
als Klebebewehrung abgestimmt, deshalb sind diese Produkte weitgehend miteinander
vergleichbar.
Die Sika vertreibt das Verstärkungssystem Sika CarboDur, das aus einer Palette verschiedener
CFK-Lamellen besteht. Die einzelnen Typen haben unterschiedliche Abmessungen
und Steifigkeiten, so dass je nach Anwendung das geeignetste Produkt
gewählt werden kann.
Die thermoplastische Lamelle sollte sich nahtlos in die bestehende Marktpalette eingliedern.
Aus diesem Grund wurde eine möglichst grosse Ähnlichkeit zur Lamelle
CarboDur S512 angestrebt, welche die weltweit meistverwendete der von der Sika vertriebenen
Lamellen ist.
Eigenschaften der Lamelle CarboDur S512
Die Lamelle CarboDur S512 besteht aus Kohlenstofffasern (T700S von Toray), die in
eine Epoxidharzmatrix gebettet sind und mindestens 68% der Querschnittsfläche ausmachen.
Die Bezeichnung „S512“ gibt Angaben über die Eigenschaften und Abmessungen
des Produkts: „S“ gibt die Steifigkeitskategorie der Lamelle an („Standard“) und
„512“ steht für die Querschnittsabmessungen von 50·1.2 mm2 . Tabelle 1 enthält eine
Zusammenstellung der wichtigsten Eigenschaften.
Breite Dicke Zugfestigkeit E-Modul Bruchdehnung
bl tl flu, min flu, m El, m εlu, min
[mm] [mm] [MPa] [MPa] [GPa] [‰]
50 1.2 2800 3050 165 17
Tabelle 1: Eigenschaften der Lamelle CarboDur S512 (nach Sika [21])
Für die Applikation der Lamellen wird üblicherweise ein Epoxidharzklebstoff verwendet.
Auch davon gibt es eine Vielfalt von Produkten mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Für das Ankleben der Lamelle Sika CarboDur-Lamellen wird in den meisten Fällen
der Armierungsklebstoff Sikadur-30 eingesetzt. Die thermoplastische Lamelle sollte
11

Die thermoplastische Lamelle
deshalb ebenfalls so beschaffen sein, dass sie mit diesem Klebstoff appliziert werden
kann.
Eigenschaften des Armierungsklebstoffs Sikadur-30
Der Klebstoff wird aus den zwei Komponenten A (Harz) und B (Härter) im Massenverhältnis
3:1 angerührt. Nach dem Mischen von A und B bleibt die Konsistenz während
etwa einer Stunde viskos, so dass der Klebstoff in dieser Zeit verarbeitet werden kann.
Beide Komponenten sind mit Quarzsand vermischt, der im ausgehärteten Klebstoff als
Zuschlag wirkt und dadurch eine hohe Schwind- und Kriechresistenz ermöglicht. In
Tabelle 2 sind die technischen Eigenschaften zusammengestellt. In Kapitel 2.2.4 folgen
Angaben zum Zusammenhang zwischen der Steifigkeit und der Umgebungstemperatur.
Druckfestigkeit
fg
Zugfestigkeit
fgt
Druck-E-Modul
Eg
Glasumwandlungstemperatur
[MPa] [MPa] [GPa] [°C]
90...100 ca. 30 12.8 62
Tabelle 2: Eigenschaften des Klebstoffs Sikadur-30 (nach Sika [21])
2.1.2 Die Komponenten des Faserverbundwerkstoffs
Die Faser
Funktion und Eigenschaften
Die Faser ist die Komponente, die die mechanischen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffs
bestimmt. Handelt es sich dabei um eine Lamelle, sind die Fasern „endlos“
lang und parallel (unidirektional, UD) zur Längsrichtung angeordnet. Bezüglich
dieser Richtung entsprechen sich Steifigkeit und Festigkeit der aufsummierten Fasern
und des fertigen Produkts in guter Näherung.
Für die Verarbeitung zu Lamellen werden technisch hergestellte Endlosfasern (Filamente)
benutzt, die in Form von aufgewickelten, parallellaufenden Fadenbündeln vom
Hersteller geliefert werden. Ein solcher Roving wird z.B. als 24k-Roving bezeichnet,
wenn er aus 24000 Filamenten besteht.
Bei der Herstellung der Filamente werden diese mit einer Schlichte versehen, die sie
vor Beschädigungen während der Verarbeitung (z.B. durch Reibung an Umlenkstellen)
schützt. Die Schlichte kann die Haftung zur Matrix verbessern oder verschlechtern, je
nach Art von Schlichte und Matrixwerkstoff.
Verschiedene Faserarten
Für die Verstärkung von Kunststoffen werden in der Regel anorganische Fasern wie
Kohlenstoff- und Glasfasern oder synthetische Fasern verwendet (z.B. Aramidfasern).
12
Tg

Grundlagen
Für spezielle Anwendungen werden auch metallische, keramische oder Bor-Fasern verarbeitet,
darauf wird aber im Folgenden nicht weiter eingegangen.
In Tabelle 3 sind die technischen Eigenschaften der wichtigsten Faserarten zusammengetragen
und den entsprechenden Werten von Stahl gegenübergestellt. Man erkennt,
dass diese Fasern ähnliche Festigkeitseigenschaften besitzen wie Stahl. Eine höhere
Steifigkeit erreichen aber nur die Kohlenstofffasern.
Faser
Filamentdurchmesser
Øf
Dichte
ρf
Zugfestigkeit
ffu
E-Modul
[µm] [g/cm 3 ] [MPa] [GPa]
Glasfasern 1) 7...10 2.50...2.55 1800...3900 73...87
Aramidfasern 1) 12 1.44 2500...3000 70...130
Kohlenstofffasern 2) 4.8...7.0 1.70...1.94 1800...7300 180...820
Stahlfasern 1) 5...250 7.80 1800...4200 210
1) nach Meier [19]
2) nach Flemming et al. [11]
Tabelle 3: Mechanische Eigenschaften verschiedener Faserarten
Die Glasfasern bestehen aus einem dreidimensionalen Netzwerk von Sauerstoff- und
Siliziumatomen mit amorpher Struktur. Dadurch besitzt die Faser isotrope Eigenschaften.
Die guten Festigkeitswerte und der (bei einigen Glassorten) recht tiefe Preis hat zu
einer grossen Verbreitung der Glasfaser für verschiedene Anwendungen geführt.
Die Glasfaser hat aber auch Nachteile, die die Einsatzmöglichkeiten einschränken.
Für eine genauere Betrachtung müssten hierbei die unterschiedlichen Glasfasersorten
unterschieden werden, darauf wird aber im Folgenden verzichtet und stattdessen eine
Sammlung von möglichen Problemen aufgelistet (nach Flemming et al. [11], Michaeli
und Wegner [17], Hull and Clyne [13], Eckold [8] und Daniel and Ishai [3]):
� Bescheidene Steifigkeit
� Beträchtliche Reduktion der in Tabelle 3 gegebenen Festigkeit infolge Schädigung bei
der Weiterverarbeitung
� Linearelastisches Verhalten bei Kurzzeitbeanspruchungen, viskoelastisches Verhalten
bei Langzeitbeanspruchungen
� Geringe Resistenz gegenüber Ermüdungsbeanspruchungen
� Neigung zur Spannungsrisskorrosion bei moderatem Beanspruchungsniveau
� Mangelnde Beständigkeit beim Kontakt mit verschiedenen Medien und Chemikalien
(Säuren, Basen aber auch z.B. reines Wasser)
� Schädigung bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht
Viele dieser potenziellen Nachteile stehen in einem direkten Konflikt mit den Anforderungen,
die an die zu entwickelnde Lamelle gestellt werden. Aus diesem Grund
wird die Verwendung von Glasfasern nicht weiter in Betracht gezogen.
Ef
13

Die thermoplastische Lamelle
Die Aramidfaser besteht aus Amidgruppen und aromatischen Ringen, die in Faserrichtung
orientiert sind. Dadurch entsteht ein anisotropes Gebilde mit guten mechanischen
Eigenschaften in Längsrichtung. Als besondere Qualität der Aramidfasern (z.B.
KevlarTM ) gilt das hohe Energieaufnahmevermögen infolge ausgeprägter Faserverformbarkeit
(z.B. Biegeradien im Bereich weniger Faserdurchmesser).
Die Nachteile, die die Anwendungsmöglichkeiten der Aramidfaser einschränken,
sind im Folgenden aufgeführt (nach Flemming et al. [11], Michaeli und Wegner [17],
Hull and Clyne [13], Eckold [8] und Daniel and Ishai [3]):
� geringere Steifigkeit als Stahl
� beschränkte Druckbeanspruchung möglich (daher z.B. Mikroschädigungen bei Wicklung)
� hohe Wasserabsorption führt zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften
� Dauerbeanspruchungen führen zu von Mikroporen ausgehendem Risswachstum, das
zu plötzlichem Versagen führen kann
� z.T. geringe Beständigkeit in saurem Milieu
� Festigkeitsverlust bei Bestrahlung mit natürlichem Sonnenlicht
Auch die Aramidfaser birgt einige mögliche Probleme und wird daher für die Verarbeitung
zur Lamelle nicht weiter berücksichtigt.
Kohlenstofffasern sind aus Graphitschichten aufgebaut und besitzen eine ausgeprägte
Anisotropie. Die parallel zur Faser laufenden Schichtstrukturen verleihen dieser Richtung
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, quer dazu werden allerdings nur bescheidene
Werte erreicht.
Während die heute gebräuchlichen Kohlenstofffasern meist aus Polyacrylnitrilfasern
(PAN-Fasern) produziert werden, ist in den nächsten Jahren ein Umstieg auf Pech als
kostengünstigeres Ausgangsmaterial denkbar. Unterschiedliche Ausgangsstoffe und
Verfahren ermöglichen die Herstellung von verschiedenen Kohlenstoffasertypen. Die
HT-Fasern (high tenacity) haben eine hohe Festigkeit und werden vor allem wegen ihres
verhältnismässig tiefen Preises oft eingesetzt. Verlangt die Anwendung dagegen eine
hohe Steifigkeit, können die teureren HM-Fasern (high modulus) verwendet werden. Ein
hohes Arbeitsaufnahmevermögen kann mit HST-Fasern (high strain and tenacity) erreicht
werden und die IM-Fasern (intermediate modulus) liegen bezüglich der Eigenschaften
zwischen den HST- und den HM-Fasern.
Kohlenstofffasern haben unter Längsbeanspruchung einen quasi linearen Spannungs-
Dehnungs-Verlauf. Neben den mechanischen Qualitäten besitzen diese Fasern auch andere
interessante physikalische Eigenschaften. Dazu gehören zum Beispiel die elektrische
Leitfähigkeit und der negative Wärmeausdehnungskoeffizient, beides wiederum
einer ausgeprägten Anisotropie unterliegend.
14

Grundlagen
Die Matrix
Funktion und Eigenschaften
Die Matrix hält die Fasern eines Faserverbundwerkstoffs zusammen, damit diese ihre
Verstärkungsfunktion erfüllen können. Diese Aufgabe umfasst drei Punkte: Fixieren der
Fasern in der gewählten geometrischen Anordnung, Kräfteübertragung auf die Fasern
und zwischen den Fasern sowie das Stützen der Fasern bei Druckbeanspruchungen. Da
die Matrix die Fasern vollständig einbettet und gegenüber der Umgebung versiegelt,
dient sie auch als Schutz vor schädigenden äusseren Einwirkungen (z.B. Angriff durch
Feuchtigkeit, Chemikalien oder Strahlung).
Verschiedene Matrixtypen
Je nach Auslegung des Begriffs „Faserverbundwerkstoff“ können sehr viele Werkstoffe
als Matrixmaterial betrachtet werden, so zum Beispiel auch Beton oder Metalle. Im
Sinne der kunststofftechnologischen Definition sind aber aussschliesslich polymere
Werkstoffe gemeint, auf andere Materialien wird daher nicht weiter eingegangen.
In der bisherigen Geschichte der Faserverbundwerkstoffe wurden vor allem duromere
Kunststoffe als Matrixmaterial verwendet. Die Duromere entstehen durch eine
Härtungs- bzw.Vernetzungsreaktion aus niedermolekularen Monomeren. Nach diesem
chemischen Prozess sind die Moleküle dreidimensional vernetzt, so dass der Werkstoff
thermisch nicht mehr verformt werden kann. Unter den wichtigsten Vertretern der Duromere
findet man die ungesättigten Polyesterharze, Vinylesterharze, Phenolharze und
die für die Herstellung der im Bauwesen eingesetzten Lamellen Sika CarboDur verwendeten
Epoxidharze. Auf die erstgenannten dieser Duromere wird nicht näher eingegangen.
Epoxidharze entstehen durch die Polyadditionsreaktion (Härtung bzw. Vernetzung)
eines Harzes (Epoxid) mit einem Härter (Amine, Phenole oder Säuren). Die gute Eignung
als Matrixwerkstoff kommt daher, dass die niedermolekularen Präpolymere eine
geringe Viskosität besitzen und sich deshalb sehr gut zur Faserimprägnierung eignen,
während der ausgehärtete Werkstoff gute mechanische Eigenschaften aufweist. Durch
die Wahl der Komponenten Harz und Härter können diese Merkmale sowie auch der
Härtungsverlauf gesteuert werden. Der bezüglich der Produktion wichtigste Nachteil ist
die beschränkte Vernetzungsgeschwindigkeit, die keine besonders schnelle Herstellung
erlaubt.
Thermoplastische Kunststoffe gewinnen je länger je mehr an Bedeutung für die Herstellung
von Faserverbundwerkstoffen. Bei diesen Kunststoffen liegt das Grundmaterial
in bereits vollkommen polymerisierter Form vor. Zur Verarbeitung wird es erwärmt bis
in den Schmelzezustand, umgeformt und wieder abgekühlt bis zur Erstarrung. Dieser
Vorgang ermöglicht eine hohe Prozessgeschwindigkeit.
Zur genaueren Beschreibung der Eigenschaften der Thermoplaste müssten die einzelnen
Vertreter gesondert betrachtet werden. Viele besitzen aber gute mechanische Eigenschaften,
eine gute Medienbeständigkeit und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme.
Allen gemeinsam ist die thermische Schweissbarkeit und die Wiederverwertbarkeit der
Abfälle. Zu den wichtigsten Nachteilen zählen die Kriechneigung bei höheren Temperaturen
und die wegen der hohen Viskosität der Schmelze schwierige Faserimprägnierung.
15

Die thermoplastische Lamelle
2.1.3 Verfahren für die Lamellenherstellung
Die Sulzer betreibt seit 1996 eine selbst konzipierte Imprägnierungsanlage (Vodermayer
et al. [22]) für die Herstellung der thermoplastischen Faserverbundwerkstoffe
SUPreMTM (Sulzer Prepreg Material, Kärger und Vodermayer [14]).
Die erste Ausführung dieser Anlage konnte Rovings mittels Pulverimprägnierverfahren
zu maximal 25 mm breiten und ca. 0.1 mm dicken Tapes verarbeiten. In einer
zweiten Phase wurden diese Tapes durch eine Konsolidierungsanlage geführt, wo sie
neben- und aufeinander zu Lamellen verpresst wurden. 1999 wurde die Gesamtanlage
verbessert und erweitert. Die seither zur Verfügung stehende Imprägnierungsanlage
kann Tapes mit einer Breite bis 300 mm herstellen, so dass der Querschnitt in Querrichtung
keine schwächende Stossfuge mehr aufweist. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau
dieser Anlage. Die Konsolidierungsanlage ist in Bild 2 dargestellt.
Bild 1: Schematischer Aufbau der Imprägnierungsanlage der Sulzer Composites
Die Faserbereitstellung ist die erste Stufe der Imprägnierungsanlage. Hier werden die
zu Rovings gebündelten Fasern unter leichter Spannung von den Spulen abgewickelt
und vor dem Eintritt in die Anlage zusammengeführt.
Das Imprägnierbecken besteht aus einem Wasserbad, in welchem der pulverförmige
Matrixwerkstoff (Polymer) mit Hilfe von Dispersionsmitteln und einem Rührwerk in
Schwebe gehalten wird. Die Fasern werden über mehrere Umlenkbolzen durch das Bad
geführt, damit sich das Pulver regelmässig im Faserzwischenraum verteilt (Vodermayer
et al. [22]).
Im Trockenofen wird das Wasser mit dem Dispersionsmittel aus dem Faser-Polymergefüge
entfernt und einer Abluftanlage zugeführt.
16

Grundlagen
Das trockene Faser-Polymergefüge durchläuft anschliessend eine Serie von Schmelzöfen
und Formgebungswalzen. Das Polymer verschmilzt zur Matrix und wird zusammen
mit den Fasern in die gewünschte Tapeform gebracht. Wegen der walzenförmigen
Formgebungswerkzeuge wird die gesamte Herstellung auch als Rolltrusion bezeichnet.
Der Bandabzug zieht die Fasern bzw. das Tape durch die Anlage. Ein Sensor im Bereich
der Faserbereitstellung kontrolliert die Einhaltung einer Minimalspannung, die für
das Erreichen einer guten Tapequalität nötig ist. Bei zu hoher Spannung kommt es aber
zu starkem Abrieb bei den Werkzeugen und an den Umlenkstellen.
Am Ende der Anlage wird das fertiggestellte Tape auf Spulen aufgewickelt.
Bild 2: Konsolidierungsanlage der Sulzer Composites
17

Die thermoplastische Lamelle
Das mit der Imprägnierungsanlage hergestellte Tape ist das Ausgangsmaterial für die
Lamellenherstellung. Am Anfang der Konsolidierungsanlage wird das Tape von den
Spulen abgerollt und in die Anlage hineingeführt (Tapebereitstellung).
Im Schmelzofen wird das Matrixmaterial wieder aufgeschmolzen, damit die Tapes
untereinander verschweisst werden können.
Die Doppelbandpresse ist das eigentliche Konsolidierungswerkzeug (Formgebungswerkzeug).
Die Tapes mit aufgeschmolzener Matrix treten am vorderen Ende ein
und werden unter Abkühlung in die gewünschte Form (Lamelle) gepresst. Damit die
Wärme über die Stahlbänder der Presse abgeführt werden kann, müssen diese eine ausreichende
Lauflänge ausserhalb der Pressstrecke haben.
Wenn die Lamelle mit einer Beschichtung versehen werden soll, kann dieser Arbeitsschritt
hinter der Doppelbandpresse angehängt werden (im Rahmen des Projektes
wurde keine solche Beschichtung verwendet).
Der Bandabzug treibt die Tapes bzw. die Lamelle durch die Anlage (wie bei der Imprägnieranlage).
Das fertige Produkt wird am Ende der Anlage aufgewickelt.
2.2 Entwicklung
2.2.1 Evaluierung der Fasern
Voraussetzungen für die Eignung als Lamellenverstärkung
Damit die dünne und schmale Lamelle ihre Funktion als Bauwerksverstärkung erfüllen
kann, muss sie möglichst hohe Kräfte aufnehmen und übertragen können. Mit einer
steifen Lamelle können – bei geringen Dehnungen – hohe Kräfte übertragen werden, die
zugehörige Kraftaufnahme verursacht aber hohe Schubspannungen und kann so zu Festigkeitsproblemen
führen. Die Festlegung der sinnvollsten Lamellensteifigkeit ist demnach
ein Optimierungsproblem, das einen gewissen Spielraum zulässt.
Die thermoplastische Lamelle sollte bezüglich der technischen Eigenschaften ähnlich
sein wie die Lamelle Sika CarboDur S512. Um eine ausreichende Näherung zu erreichen,
können höher- oder tiefermodulige Fasern eingesetzt und die Endsteifigkeit mittels
Variation der Rovingzahl gesteuert werden.
Die Faserfestigkeit ist von zweitrangiger Bedeutung. Alle in Betracht gezogenen
Produkte erreichen hohe Werte, so dass ein Zugbruchversagen der Lamelle nicht erwartet
werden muss. Entsprechend den Erfahrungen mit solchen Verstärkungssystemen
(z.B. Deuring [4], Kaiser [15]) versagen diese in der Regel durch Abschälen der Lamelle
nach lokaler Schubfestigkeitsüberschreitung.
Die Rovinglänge hat im Rahmen der Herstellung eine grosse Bedeutung. Das Wechseln
der Rovingspulen und Wiedereinfädeln in die Maschine ist ein aufwändiger Arbeitsvorgang,
so dass lange Einheiten bevorzugt werden.
Die Rovinggrösse kann einen Einfluss haben auf die Qualität des Endproduktes.
Grosse Faserbündel haben tendenziell mehr Verdrehungen pro Längeneinheit, die zu
Unregelmässigkeiten im Querschnitt des „Endlosproduktes“ führen können.
18

Entwicklung
Wenn die Faserqualität innerhalb eines Rovings streut, kommt es zu Abrieb bei der
Verarbeitung. Hierbei reissen einzelne Filamente und bilden Flusen bei den Umlenkstellen
und Werkzeugen der Fertigungsanlage.
Die von den Herstellern gelieferten Kohlenstofffasern sind mit einer Schlichte versehen,
die meist für einen guten Verbund zu Duromeren konzipiert ist. Für eine befriedigende
Haftung mit einem thermoplastischen Matrixwerkstoff muss diese Schlichte
unter Umständen entfernt bzw. ersetzt werden.
Damit das Endprodukt (Lamelle) wirtschaftlich interessant ist, ist die Verwendung
einer günstigen Faser sinnvoll. Eine kurze Rovinglänge oder eine für die Weiterverarbeitung
ungeeignete Schlichte kann aber die Endkosten gegenüber einer anfänglich teureren
Faser wieder erhöhen.
Evaluierung
Für die Entwicklung einer thermoplastischen Lamelle wurden verschiedene Kohlenstofffasern
bezüglich der mechanischen Eigenschaften, der Verarbeitbarkeit und der
Wirtschaftlichkeit verglichen. Tabelle 4 enthält einen Überblick über die untersuchten
Produkte. Die Einteilung in die Preisklassen dient als grobe Richtlinie für die Darstellung
der Preissituation im Zeitraum von 1998 bis 2001.
Für die Evaluierung wurden die Fasern bezüglich der vorangehend beschriebenen
Eignungsmerkmale beurteilt. Zur Untersuchung der Verarbeitbarkeit wurden kleine
Materialmengen mit der Imprägnierungsanlage verarbeitet.
Hersteller Faser
Fortafil
(USA)
Tenax (D)
Grafil
SGL Carbon
Group (D)
Toray
(Japan)
Fortafil 510
Fortafil 502
Tenax STS
5631
Grafil 34-600
WD
Rovinggrösse
Rovinglänge Preisklasse
Zugfestigkeit
ffu
Bruchdehnung
εfu
E-
Modul
[Anz.
Fasern] [m] 1) [MPa] [%] [GPa]
80 000
40 000
24 000
48 000
24 000
1660 (5160)
3320
2500, 3700,
5000
1400
2800
m
m
Ef
3800 1.6 231
g 4000 1.5 240
m
m
4000 1.7 234
Sigrafil C30 3000 ~1.3 ~230
T700S (50C)
12 000
24 000
5000
3600
t
t
4900 2.1 230
T1000G 12 000 t t 6370 2.1 294
Zoltek (USA) Panex 33 48 000 1500 g 3800 1.7 228
1) tt: sehr teuer; t: teuer; m: mittel; g: günstig
Tabelle 4: Mögliche Kohlenstofffasern für die Herstellung einer thermoplastischen Lamelle
19

Die thermoplastische Lamelle
Die Fortafil-Fasern hatten eine leichte Neigung zur Flusenbildung, konnten aber
grundsätzlich erfolgreich verarbeitet werden. Wegen des im Vergleich zu anderen Produkten
ungünstigen Festigkeits-Preis-Verhältnisses wurden aber diese Fasern nicht weiter
in Betracht gezogen.
Die preislich günstigen Tenax-Fasern konnten einwandfrei verarbeitet werden. Sie
wurden schliesslich als mögliche Alternative zur ersten Wahl erachtet.
Mit der Grafil-Faser gelang eine ähnlich gute Verarbeitung wie mit der Tenax-Faser.
Die mechanischen Kennwerte sind ebenfalls ähnlich, der Preis der Grafil-Faser etwas
höher und die Rovinglänge geringer. Die Grafil-Faser wurde deshalb leicht hinter der
Tenax-Faser eingestuft.
Das Produkt Sigrafil konnte ebenfalls gut mit der Imprägnierungsanlage verarbeitet
werden. Da diese Faser aber eine verhältnismässig geringe Festigkeit und Bruchdehnung
besitzt, war sie gegenüber den anderen Fasern nicht konkurrenzfähig.
Mit der Faser T700S gelang eine einwandfreie Verarbeitung. Die Verfügbarkeit
zweier verschiedener Rovinggrössen, beide fast verdrehungsfrei, erlaubt eine flexible
Steuerung der Lamellensteifigkeit und die grosse Rovinglänge ermöglicht eine wirtschaftliche
Verarbeitung. Die Ausführung 50C ist mit einem besonders geringen
Schlichteanteilanteil (0.3%) versehen und verspricht deshalb eine sehr gute Haftung zu
einer thermoplastischen Matrix. Wegen der beachtlichen Festigkeit wird trotz des höheren
Preises ein gutes Preis-Leistungsverhältnis erzielt. Aus diesen Gründen wurde beschlossen,
diese Faser für die Herstellung der thermoplastischen Lamelle einzusetzen.
Die T1000-Fasern konnten ebenfalls gut verarbeitet werden. Dieses Produkt ist aber
sehr teuer und daher wenig interessant für die Herstellung einer wirtschaftlichen Lamelle.
Mit der Panex-Faser konnte keine befriedigende Verarbeitung durchgeführt werden.
Die Rovings hatten viele Verdrehungen und zeigten eine starke Flusenbildung an den
Umlenkstellen der Imprägnierungsanlage.
2.2.2 Evaluierung des Matrixwerkstoffs
Voraussetzungen für die Eignung als Matrixwerkstoff
Unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg befinden sich die amorphen Bereiche eines
Kunststoffes im eingefrorenen Zustand (Glaszustand) und verleihen dem Werkstoff dadurch
gute mechanische Eigenschaften, wobei die dazugehörige Sprödigkeit in Kauf
genommen werden muss. Wird diese Temperatur überschritten, können Steifigkeit und
Festigkeit um ganze Grössenordnungen abnehmen. Dies gilt vor allem für Kunststoffe
mit wenigen oder keinen kristallinen Bereichen.
Bei der Beurteilung der Einsatztauglichkeit von Kunststoffen kann für viele Kunststoffe
die Glasübergangstemperatur als thermische Grenze betrachtet werden, bis zu
welcher das entsprechende Bauteil mechanisch beansprucht werden kann.
20

Entwicklung
Die Bedeutung der Absolutwerte der mechanischen Eigenschaften ist schwierig abzuschätzen.
Die interlaminaren Kräfte beanspruchen die Matrix mehrachsial und sind
vom Betrag her nicht genau bekannt, so dass ein Vergleich mit tabellierten Festigkeitsund
Steifigkeitswerten kaum möglich ist.
Damit bei der Lamellenherstellung (entsprechend den Ausführungen in Kapitel 2.1.3)
eine gute Faserimprägnierung gelingt, muss der Matrixwerkstoff als feines Pulver
(Korndurchmesser < 50 µm) vorliegen. Die Verarbeitung zu dieser Form ist – je nach
Kunststoff – ein mehr oder weniger technologieintensiver und dadurch teurer Prozess.
Der Preis des Kunststoffs hat eine grosse Bedeutung, da die zu entwickelnde thermoplastische
Lamelle vor allem wirtschaftliche Vorteile gegenüber den bisherigen Produkten
haben soll. Es gilt zu beachten, dass die Verarbeitung zu feinem Pulver unter
Umständen ein wesentlicher Kostenfaktor sein kann.
Die Lamelle soll mit dem Epoxidharzklebstoff Sikadur-30 appliziert werden können.
Da die Matrix den grössten Teil der Kontaktfläche ausmacht, sollte der Kunststoff eine
möglichst gute Haftung zu Epoxidharzen aufweisen.
Evaluierung
Für die Herstellung einer für das Bauwesen geeigneten Lamelle wurden verschiedene
thermoplastische Matrixwerkstoffe untersucht. In Tabelle 5 sind die in Betracht gezogenen
Thermoplaste zusammengestellt (zu Vergleichszwecken ist auch Epoxidharz
aufgeführt). Von einigen dieser Kunststoffe gibt es eine Vielzahl von Familien, die sich
z.B. durch Modifikationen im Molekülaufbau oder durch einen unterschiedlichen Kristallinitätsgrad
unterscheiden. Die Eigenschaften können dementsprechend stark variieren,
so dass die Werte in Tabelle 5 nur als Richtgrössen zu verstehen sind. Die
Einteilung in Preisklassen dient als grobe Übersicht über die von 1998 bis 2001 herrschenden
Preisverhältnisse innerhalb dieser Kunststoffauswahl.
PA12 erwies sich als gut geeignet für die Herstellung von Lamellen. Das Pulver war
– bei vernünftigem Preis - in der gewünschten Grösse lieferbar und ermöglichte eine
gute Faserimprägnierung. Dadurch wurde eine gute Lamellenqualität mit einwandfreier
Fasereinbindung erzielt. Zur Ermittlung der Verbundfestigkeit mit Sikadur-30 wurden
die ersten Lamellen damit verklebt und im Zugscherversuch geprüft (Tabelle 6). Die
Haftung war besser als erwartet und konnte durch die Schaffung einer porösen Oberfläche
(„Käsestruktur“) bei späteren Serien noch verbessert werden (Kapitel 2.2.4).
Die Glasübergangstemperatur von PA12 ist relativ niedrig, liegt aber nahe bei dem
von Sikadur-30. Da der Klebstoff in diesem Temperaturbereich viel heftiger reagiert
(Bild 9), wirkt er als kritische Systemkomponente und rechtfertigt dadurch die Verwendung
von PA12.
PA12 wurde zum bevorzugten Matrixwerkstoff und konnte schliesslich erfolgreich
zu Lamellen verarbeitet werden.
21

Die thermoplastische Lamelle
Kurzbez.
Name
Preisklasse
(für
Pulver)
4)
Klebbarkeit
Struktur
(teilkristallin/
amorph)
Glasübergangstemperatur
Tg
Wasseraufnahme
bei 23°C,
5O% r.F.
Zugfestigkeit
Reissdehnung
[°C] [M.-%] [MPa] [%]
E-Modul
nach
DIN 53457
E
[MPa]
EP Epoxidharz g + a 50...150 0.1...0.5 55...80 2) 2800...4200
PA12 Polyamid-12 m 0 t 60 0.5...0.7 3) 15...30 2) 250...300 2) 300...750
PE Polyethylen gg - t -125...0 0.01...0.1 10...28 2) 300...600 2) 250...850
PEI Polyetherimid tt + a 217 1.35 105 2) 10 2) 3000
PMMA
Polymethylmethacrylat
t + a 0.3 74 2) 5 2) 3200
PP Polypropylen g g - t -18...-10 < 0.1 32 2) 70 2) 1300
PPS
PVC
Polyphenylensulfid
Polyvinylchlorid
PVDF Polyvinylidenfluorid
t 0 t 88 0.03 75 2) 5 2) 4400
g + a 82 < 0.2 58...74 2) 11...15 2) 3200...3400
m + t -35 0.03 ~50 1) > 20 1) 1900
1) Reissfestigkeit bzw. Reissdehnung nach ASTM D 1457
2) Streckspannung bzw. Reissdehnung nach DIN 53455 nach Lagerung bei 23°C, 50% r.F.
3) bei 20°C, 65% r.F.
4) tt: sehr teuer; t: teuer; m: mittel; g: günstig; gg: sehr günstig
Tabelle 5: Für den Einsatz als Matrixwerkstoff untersuchte Thermoplaste und Vergleich mit
Epoxidharz (nach Dominighaus [7], Angst+Pfister [1], Flemming et al. [11],
Winistoerfer [23], Habenicht [12], Callister [2], Frank und Biederbeck [10])
Mit PP gelang keine Lamellenherstellung, weil die Schlichte der Kohlenstofffasern
(die für die Anbindung an einen Duromer vorgesehen ist) einen tauglichen Verbund
zwischen Matrix und Fasern verhinderte. Bei Bruchversuchen an Testserien rutschten
die Fasern daher ohne viel Widerstand aus dem Gefüge. Für eine erfolgreiche Lamellenherstellung
wäre ein thermisches oder chemisches Entfernen der Schlichte sowie eine
eventuelle Nachbehandlung nötig gewesen. Da auch die Klebbarkeit nicht ohne weiteres
gewährleistet war, wurde PP trotz guter Langzeiterfahrung bei verschiedenen Anwendungen
und dem tiefen Preis nicht weiter untersucht.
PEI schien wegen der hohen Temperaturbeständigkeit, der mechanischen Eigenschaften
und der guten Klebbarkeit ein sehr gut geeigneter Matrixwerkstoff zu sein. Hier
erwies sich aber die Lieferform als Problem: die Lieferung von feinem Pulver hätte eine
grosse Bestellmenge bei sehr hohem Preis gefordert. Für die Herstellung einer Testlamelle
wurden dünne PEI-Bänder der Firma Cytec Fiberite Inc. (USA) zu Lamellen verpresst
(Erwärmung bis zum Aufschmelzen der Matrix und anschliessendes Verpressen
mit der Doppelbandpresse). Die Faserverteilung in den Tapes war recht inhomogen und
führte zu einer unbefriedigenden Lamellenqualität. Schliesslich wurde die Verwendung
von PEI als unwirtschaftlich erachtet und nicht weiter verfolgt.
22

Entwicklung
Bei der Verwendung von PMMA zeigten sich ähnliche Probleme wie bei PP: die
Haftung zu den Fasern war ungenügend, die Herstellung einer tauglichen Lamelle hätte
ein Entfernen der Schlichte erfordert und wurde deshalb nicht weiter untersucht.
Wegen der guten Haftung zu Epoxidharzen wurde versucht, mit PMMA-Blends die
Klebbarkeit der PA12-Matrix zu verbessern. Die Resultate der Zugscherversuche (Tabelle
6) zeigten aber keinen entsprechenden Effekt, so dass auf eine weitere Verwendung
von PMMA verzichtet wurde.
Hinsichtlich der Verwendung von PE wurden–ähnlichwiebeiPP und PMMA –
Probleme mit der Haftung zur Faser erwartet. Da auch die Klebbarkeit von PE ein Problem
darstellt, wurde dieser Kunststoff - trotz des tiefen Preises - nicht weiter untersucht.
PPS wurde aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften als erfolgversprechendes
Matrixmaterial erachtet. Wegen der schlechten Klebbarkeit und des
hohen Preises wurde aber dieser Thermoplast schliesslich nicht zu Lamellen verarbeitet.
Bei den fortgeschrittenen Generationen der PA12-Lamelle wurden zur äussersten
Lamellenschicht PPS-Partikel beigegeben, die als „Abstandhalter“ zwischen den Fasern
wirkten und dadurch die Schaffung einer porösen Oberfläche („Käsestruktur“) ermöglichten
(Kapitel 2.2.4).
Auf die Verwendung von PVC wurde frühzeitig verzichtet. Wegen der oft enthaltenen
Weichmacher gelten sie als umweltschädlich und wegen des Chloridgehalts werden
bei starker Erwärmung toxische Gase freigesetzt.
PVDF ist gut klebbar und wurde deshalb versuchsweise als Blend zur PA12-Matrix
beigemischt. Die Zugscherversuche (Tabelle 6) haben aber keine Verbesserung der
Verbundfestigkeit mit Sikadur-30 gezeigt, so dass auf eine weitere Verwendung verzichtet
wurde.
2.2.3 Zugscherversuche an verklebten Testlamellen
Eine wichtige Anforderung an die neue Lamelle war eine gute und dauerhafte Verklebbarkeit
mit dem Klebstoff Sikadur-30. Zur Untersuchung dieser Eigenschaften wurden
verklebte Lamellenproben bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gelagert und
in verschiedenen Zeitabständen im Zugscherversuch geprüft.
Die Proben wurden mit Sika Colma-Reiniger entfettet, entsprechend den geometrischen
Angaben in Bild 3 verklebt und während sieben Tagen bei Raumtemperatur
(23°C) ausgehärtet.
Die raumgelagerten Proben (RL) wurden auch nach der Aushärtungsphase bei
„Aushärtungsbedingungen“ gelagert. Ein Teil der Proben wurde in ein Wasserbecken
gegeben (Wasserlagerung, WL), das sich in einem klimatisierten Raum befand und daher
eine konstante Temperatur von 23°C hatte. Zur Untersuchung des Einflusses besonders
anspruchsvoller Umgebungsbedingungen wurde die aus der Automobilindustrie
übernommene Kataplasmalagerung (KL) durchgeführt. Hierbei wurden die Proben in
saugfähiges Papier gewickelt, mit Wasser getränkt und in einen dichten Plastiksack gepackt.
Der Sack wurde in einen verschlossenen Blecheimer mit ein wenig Wasser drin
gelegt und in einem Ofen bei 80°C gelagert.
23

Die thermoplastische Lamelle
Die Zugscherversuche wurden nach unterschiedlichen Lagerungszeiten durchgeführt.
Die Vorschubgeschwindigkeit der dafür verwendeten Instron Universalprüfmaschine
betrug 2 mm/min . Zur Vermeidung von Biegemomenten war eine der Einspannstellen
mit einem Gelenk versehen.
Die Resultate in Tabelle 6 stammen aus der Division der Bruchkraft durch die Klebefläche,
wobei jeder Wert dem Mittel von drei Versuchen entspricht.
Der Zugscherversuch eignet sich eigentlich nicht für die Messung von Schubfestigkeitswerten:
Wegen der exzentrisch auf die Klebefläche wirkenden Kräfte werden recht
tiefe „Festigkeitswerte“ gemessen, die bei geringen Änderungen in der Prüfkörpergeometrie
stark variieren und daher nur für Vergleichszwecke mit gleichartigen Versuchsserien
verwendet werden dürfen.
Th. Lamelle, Gen. 0 Th. Lamelle, Gen. 1 Th. Lamelle, Gen. 2, Ch. 1 Th. Lamelle, Gen. 2, Ch. 2
Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL
7 d
28 d
7 mt
9 mt
12 mt
7.1
-
-
-
-
-
6.1
4.3
4.6
5.3
4.0
3.9
-
-
-
7 d
28 d
3 mt
6 mt
12 mt
8.5
7.8
-
-
-
8.7
6.8
-
-
-
6.4
4.7
-
-
-
7 d
28 d
3 mt
6 mt
12 mt
7.2
-
-
-
-
7.0
-
7.5
4.8
4.4
6.0
-
-
-
-
7 d
28 d
3 mt
6 mt
12 mt
PA12 + 5% PMMA PA12 + 10% PVDF PEI-Lamelle CarboDur S512
Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL
7 d
28 d
7 mt
9 mt
12 mt
4.8
-
-
-
-
-
5.6
5.7
4.9
5.2
4.0
3.3
-
-
-
7 d
28 d
7 mt
9 mt
12 mt
RL: raumgelagerte Proben
WL: im Wasser gelagerte Proben
KL: Kataplasmalagerung
4.5
-
-
-
-
-
3.5
5.1
4.5
4.8
3.0
3.9
-
-
-
7 d
28 d
3 mt
6 mt
12 mt
5.6
5.7
-
-
-
6.2
7.2
6.2
5.3
5.6
6.3
5.1
-
-
-
7 d
28 d
3 mt
6 mt
12 mt
Tabelle 6: Resultate der Zugscherversuche: mittlere Versagensschubspannungen in [MPa]
24
[mm]
Bild 3: Zugscherversuch – Prinzip und Geometrie
1.0
20
Klebstoff Sikadur-30
CFK-Lamelle
5.8
5.1
-
-
-
8.7
-
-
-
-
5.6
5.3
5.1
5.2
3.8
-
-
8.2
8.6
6.1
5.3
4.6
-
-
-
6.0
6.2
-
-
-

2.2.4 Die „T700S + PA12“ - Lamelle
Entwicklung
Entwicklung und Aufbau
Nachdem mit der Kohlenstofffaser T700S und dem Thermoplast PA12 die Herstellung
einer Lamelle gelungen war, wurde das Produkt untersucht und entsprechend den Ergebnissen
schrittweise verbessert. Tabelle 7 enthält einen Überblick über diese Entwicklung.
Für die Herstellung der Generation 0 wurden die Fasern zu dünnen Tapes verarbeitet
und anschliessend zu Lamellen verpresst. Da die einzelnen Tapes eine Breite von nur
25 mm hatten, bestand die Lamelle letztlich aus zwei nebeneinanderliegenden, verschweissten
Tapepaketen. Eine schwache Dickenvariation führte zu einem leichten Gefälle
in Lamellenquerrichtung, ansonsten war das Produkt aber homogen und von guter
Qualität.
Lamellenbezeichnung
Herstellungsdatum
Anz.
Fasern
nf
Breite
1)
bl
Dicke
2)
tl
[·10 3 ] [mm] [mm]
Generation 0 17.11.1998 768 49.7 1.00
PA12
+5% PMMA
PA12
+10% PVDF
18.11.1998 144 13.0 0.75
18.11.1998 144 13.0 0.75
Generation 1 26.04.1999 960 49.9 1.15
Generation 2
Charge 1
30.07.1999 960 49.7 1.20
Charge 2 24.01.2000 960 49.8 1.15
Charge 3:
„SUPreM
CarboDur
T 512
Lot 001“
17.11.2000 1020 49.8 1.25
Charge 4 19.11.2001 984 49.9 1.23
Merkmal Untersuchung/
Einsatz
Querschnitt homogen,
keine „Käsestruktur“
PMMA-Blends im
Oberflächenbereich
PVDF-Blends im
Oberflächenbereich
„Käsestruktur“
nicht gelungen
mit einseitiger
„Käsestruktur“ zur
Verbesserung des
Verbunds zum
Klebstoff
1) auf 0.1 mm gerundeter Mittelwert; 2) auf 0.05 mm gerundeter Mittelwert
LM: Lichtmikroskop
REM: Rasterelektronenmikroskop
PS: Versuch am Plattenstreifen
LV: Versuch am Langzeitversuchsträger
ET: Versuch am Ermüdungsträger
Tabelle 7: Entwicklung der „T700S + PA12“ - Lamelle
Festigkeit,
Zugscherversuch
Zugscherversuch
Zugscherversuch
LM, REM,
Steifigkeit, PS1
LM, REM,
Steifigkeit, PS4
LV, ET
Festigkeit, Steifigkeit,Haftzugversuch,
Aufrollversuch
Haftzugversuch,
Aufrollversuch
Ergebnis
schwacher Verbund
mit Sikadur-30
schwacher Verbund
mit Sikadur-30
schwacher Verbund
mit Sikadur-30
Beachtlicher Verbund
mit Sikadur-
30, trotz fehlender
„Käsestruktur“
guter Verbund mit
Sikadur-30
guter Verbund mit
Sikadur-30
guter Verbund mit
Sikadur-30, Probleme
bei Haftzugund
Aufrollversuch
Probleme bei
Haftzug- und Aufrollversuchbehoben
25

Die thermoplastische Lamelle
Mit Zugscherversuchen (Tabelle 6) wurde die Haftung zu Sikadur-30 untersucht.
Wegen der bescheidenen Resultate lag der Schwerpunkt für die Folgeserien bei der
Verbesserung der Klebbarkeit.
Die Thermoplaste PMMA und PVDF zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine gute
Haftung zu Epoxidharzklebstoffen besitzen. Bei den Serien PA12 + 5% PMMA und
PA12 + 10% PVDF wurde darum versucht, durch Beigabe dieser Polymere zur PA12-
Matrix eine – gegenüber der reinen PA12-Matrix – bessere Klebstoffhaftung zu erreichen.
Versuchshalber wurden 13 mm-Bänder zu „schmalen Lamellen“ verpresst, wobei
die äusserste Lage aus einem PA12-Tape mit 5% PMMA- bzw. 10% PVDF-Blends bestand.
Die mit solchen Proben durchgeführten Zugscherversuche zeigten aber, dass dadurch
keine nennenswerte Verbesserung der Klebbarkeit erreicht wird (Tabelle 6).
Die Lamelle der Generation 1 hatte ein anderes Konzept zur Verbesserung der
Klebstoffhaftung. Mit einer (einseitig) porösen Oberfläche sollte eine mechanische
Verzahnung mit dem Klebstoff realisiert werden (Formschluss). Für die Herstellung
dieser Lamelle wurden ebenfalls dünne Tapes mit der Doppelbandpresse verpresst, wobei
für die äusserste, oberflächenbildende Lage ein nur schwach imprägniertes Tape
zum Einsatz kam. Dieses hatte einen reduzierten Matrixgehalt und war darum porös.
Die Lamelle der Generation 1 wurde unter anderem für die Verstärkung des Trägers
PS1 eingesetzt. Der Versuch verlief erfolgreich, die Klebstoffhaftung der Lamelle
schien aber weiterhin ungenügend (siehe Kapitel 3.2.3).
Zur Untersuchung dieses Problems wurden licht- und rasterelektronenmikroskopische
Aufnahmen an Lamellenproben gemacht. Dabei stellte sich heraus, dass keine der
beiden Oberflächen porös war. Offenbar hat die äusserste, schwach imprägnierte Tapelage
beim Verpressen mit der Doppelbandpresse Matrixmaterial von den inneren Tapelagen
erhalten, so dass die Poren wieder geschlossen wurden.
Das Konzept der rauhen oder porösen Oberfläche zur Verbesserung der Klebstoffhaftung
wurde beibehalten, es musste aber eine andere Herstellungsmöglichkeit gefunden
werden.
Eine solche „Käsestruktur“ konnte bei der Lamelle der Generation 2 realisiert werden.
Für die Oberfläche wurde ein Tape verwendet, das nebst PA12 mit PPS-Partikeln
imprägniert war. Wegen der höheren Schmelztemperatur waren letztere im Herstellungsprozess
nicht geschmolzen und wirkten dadurch als „Abstandhalter“ zwischen den
Fasern.
In Bild 4 ist eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Draufsicht auf die Lamellenoberfläche
dargestellt. Die PPS-Partikel spreizen die oberflächlichen Fasern, so dass
ein Hohlraum entsteht, in welchen der Klebstoff eindringen kann.
Ein Schliffbild des Gesamtquerschnitts ist in der lichtmikroskopischen (LM) Aufnahme
in Bild 5a) zu sehen. Auf der „oberen“ Seite lässt sich die „Käsestruktur“ erahnen,
während der restliche Bereich des Querschnitts sehr homogen erscheint. Die
Vergrösserung in Bild 5c) zeigt ein Detail der „Käsestruktur“. Neben den Fasern und
der PA12-Matrix kann man die PPS-Partikel und die von ihnen verursachten Poren erkennen.
Ein Teil dieser Poren ist zur Oberfläche hin geöffnet, ein anderer Teil liegt
mehr im inneren der Lamelle, ist in sich geschlossen und kann nicht vom Klebstoff verfüllt
werden. Dieser Porenraum wirkt daher als interlaminare Schwächung. Bild 5b)
zeigt die Verzahnung des Klebstoffs Sikadur-30 mit den äusseren Poren der Lamelle.
26

Entwicklung
Der Bauteilversuch PS4 (Kapitel 3.2.3) zeigte, dass die „Käsestruktur“ einen besseren
Verbund mit dem Klebstoff Sikadur-30 bewirkte. Für die Durchführung weiterer
Untersuchungen und Versuche wurden deshalb drei weitere Chargen der Generation 2
produziert (Chargen 2 und 3).
Bei Charge 3 der Generation 2 wurde der Fasergehalt zwecks Annäherung an das
Produkt Sika CarboDur S512 erhöht. Diese Charge erhielt bereits einen für kommerzielle
Zwecke gedachten Namen. Aus der von Sulzer benutzten Bezeichnung SUPreM TM
und der von Sika unter dem Namen CarboDur vertriebenen Produktepalette entstand
der Name „SUPreM CarboDur T512 Lot 001“ („T“ indiziert die thermoplastische
Lamelle, „Lot 001“ die Serienummer). Das Foto in Bild 6 enthält sowohl das herkömmliche
Produkt Sika CarboDur S512 als auch diese neue Lamelle.
Die in Kapitel 4.1 bzw. 4.2 beschriebenen Aufroll- und Haftzugversuche anhand
Charge 3 zeigten, dass bei der Handhabung Probleme auftreten können. Vermutlich
führte der höhere Fasergehalt dazu, dass die interlaminare Festigkeit reduziert war und
diese Versuche nicht erfolgreich durchgeführt werden konnten.
Bild 4: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der „Käsestruktur“
27

Die thermoplastische Lamelle
Aufgrund der Erkenntnisse bezüglich der Handhabungsprobleme mit Charge 3 wurde
Charge 4 mit einem etwas geringeren Fasergehalt hergestellt. Auf diese Weise gelang
es, die interlaminare Festigkeit (gegenüber Charge 3) zu erhöhen und sowohl Haftzugals
auch Aufrollversuch erfolgreich durchzuführen.
Bild 5: Lichtmikroskopische Aufnahmen: Querschnitt mit „Käsestruktur“
28

Bild 6: Thermoplastische Lamelle, Vergleich mit marktüblichem Produkt
Entwicklung
Mechanische, thermische und hygroskopische Eigenschaften
Zur Messung der Festigkeit und der Steifigkeit wurden Zugversuche durchgeführt. Wegen
der hohen Längszug- und der geringen Querdruckfestigkeit der Lamellen hängen die
Resultate der Festigkeitsmessung von der angewendeten Prüftechnik ab. Für die Einleitung
der hohen Zugkraft wird in der Regel ein Klemmsystem verwendet, das zu lokal
hohem Querdruck führt. Hier kommt es zu einem frühzeitigen Versagen, die aus dem
Fasergehalt bestimmte, theoretische Festigkeit wird nicht erreicht. Für die Messung
„guter“ Festigkeitswerte muss also eine möglichst „sanfte“ Krafteinleitung realisiert
werden. In Tabelle 8 sind die gemessenen Festigkeiten und die angewendete Prüftechnik
enthalten. Bild 8 zeigt die aufgezeichneten Spannungs-Dehnungsdiagramme.
Für Versuche mit der Universalprüfmaschine Instron 1251 wurden geschnittene
Lamellenstreifen mit einer Breite von ca. 14 mm verwendet. Zur Erhöhung der Reibung
waren die Enden der Proben beidseitig mit feinem Korundpapier beklebt. Die freie
Probenlänge zwischen den Einspannungen betrug mindestens 200 mm. Die Prüfgeschwindigkeit
lag bei 5 mm/min . Folgende Versuchstechniken wurden ausprobiert
(Bild 7):
� Ein Teil der Proben wurden zwischen zwei Hälften eines Klemmkonus (KK) aus glasfaserverstärktem
Polyamid gegeben und in eine Stahlhülse eingebaut. Auf diese Weise
konnte die Zugkraft auf einer Länge von 190 mm in die Lamelle eingeleitet werden.
� Eine einfachere Versuchsdurchführung war mittels Probeneinspannung mit den hydraulischen
Klemmbacken der Prüfmaschine möglich. Zur Untersuchung des Einflus-
29

Die thermoplastische Lamelle
ses auf die Festigkeitsmessung wurden einige Parameter variiert:
Bei der Variante Klemmbacken mit Stützplatten (KS) wurden die 50 mm tiefen
Klemmbacken mit glatten Stahlplatten auf eine Länge von 100 mm verlängert, die
Probe lag zwischen diesen Stützplatten. In dem Bereich, wo die Stützplatten ausserhalb
der Klemmbacken lagen (50 mm) sollte ein Übergang von hoher Querpressung
unter den Klemmbacken zu geringer Querpressung am Ende der Stützplatten möglich
sein.
Die Variante Klemmbacken mit geschraubten Stützplatten (KgS) war bezüglich der
Anordnung gleich wie Klemmbacken mit Stützplatten. Hier waren aber die Enden der
Stützplatten mit Schrauben zusammengepresst, so dass auf der ganzen Stützplattenlänge
(100 mm) ein hoher Querdruck herrschte.
Bild 7: Verschiedene Klemmtechniken für Zugversuche
Für die Prüfung der ganzen Lamelle wurde die grössere Universalprüfmaschine Instron
1346 verwendet. Die Proben wurden zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten
ebenfalls beidseitig mit Korundpapier beklebt. Die freie Lamellenlänge zwischen den
Einspannungen betrug 200 mm. Auch bei diesen Versuchen lag die Prüfgeschwindigkeit
bei 5 mm/min . Die hydraulischen Klemmbacken dieser Maschine erlaubten eine grössere
Einspannlänge (als bei Instron 1251) und erreichten auch einen höheren Querdruck.
Für die Durchführung der Versuche Klemmbacken lang (KL) wurde die Lamelle
zwischen die mit glatten Stahlplatten belegten Klemmbacken der Prüfmaschine gespannt
und geprüft (Bild 7).
Bei den Zugversuchen an den Proben der Generation 2, Charge 3 (bzw. SUPreM
CarboDur T512 Lot 001) wurde das gesamte Spannung-Dehnungsdiagramm aufgenommen
(Bild 8). Zu diesem Zweck wurde in der freien Lamellenlänge ein Extensome-
30
190
KK KS KgS KL
[mm]
50
100
190

Entwicklung
ter mit einer Basislänge von 50 mm und einer Auflösung von 1 µm angeklemmt. Die
Elastizitätsmoduln in Tabelle 8 wurden als Sekantenmodul im Dehnungsbereich εA bis
εB bestimmt.
Lamellenbezeichnung
Versuchstechnik
Generation 0 KK
KK
KK
KK
Generation 1 KK
KK
Generation 2
Charge 1
Generation 2
Charge 3
„SUPreM
CarboDur
T 512
Lot 001“
KL
KL
KgS
KgS
KS
KS
KL
KL
KK
KK
KK
KK
Probenbreite
Probendicke
Zugfestigkeit
Dehnung
bei flu
E-Modul
(Sekantenmodul)
Dehnungsbereich für
Sekantenmodul
bl tl flu εlu El εA εB
[mm] [mm] [MPa] [‰] [GPa] [‰] [‰]
13.2
14.5
14.0
13.8
49.7
49.6
49.9
49.9
13.9
14.0
13.8
13.9
49.7
49.7
13.9
13.9
13.9
13.6
1.02
1.01
1.02
1.02
1.21
1.21
1.17
1.12
1.22
1.21
1.19
1.20
1.23
1.23
1.29
1.27
1.25
1.23
Mittelwert m:
Standardabweichung s:
(Variationskoeffizient v:)
2434
2436
2327
2271
2319
2222
2432
2156
2369
2480
2078
2252
2251
2211
2277
124
(5.4%)
1)
nach DIN 2561 [6]: Sekantenmodul zwischen 0.1·flu und 0.5·flu
KK: Klemmkonus
KL: Klemmbacken lang
KS: Klemmbacken mit Stützplatten
KgS: Klemmbacken mit geschraubten Stützplatten
Tabelle 8: Festigkeiten und Steifigkeiten der Lamellen
16.2
16.7
17.4
16.7
17.9
18.7
17.2
18.0
17.4
17.5
122.7
131.0
104.4
101.2
129.8
133.3
137.2
131.3
140.8
130.2
129.3
133.0
134.1
134.1
133.3
3.6
(2.7%)
0.26
0.26
0.24
0.26
1.9 1)
2.0 1)
2.0 1)
1.8 1)
2.1 1)
2.0 1)
1.9 1)
1.9 1)
1.9 1)
1.9 1)
1.5
2.0
2.0
2.0
8.6 1)
8.7 1)
8.9 1)
8.5 1)
9.3 1)
9.3 1)
8.3 1)
8.7 1)
8.6 1)
8.6 1)
Die in Bild 8 dargestellten Spannungs-Dehnungsverläufe zeigen eine leicht progressive
Abweichung vom ideal linear-elastischen Stoffgesetz. Dieser Verlauf kommt daher,
dass infolge unvermeidbarer geometrischer Imperfektionen einige Fasern erst bei höheren
Spannungen zum Zugtragverhalten beitragen.
Mit den Versuchen an der thermoplastischen Lamelle der Generation 2, Charge 3
(bzw. SUPreM CarboDur T512 Lot 001) kann der Effekt der unterschiedlichen Zugprüfkonzepte
(KgS, KS, KL und KK) verglichen werden (Tabelle 8). Erstaunlicherweise
liegen die Messwerte recht nahe beieinander, so dass keine eindeutige Einstufung der
Güte der Prüfkonzepte möglich ist.
31

Die thermoplastische Lamelle
Bild 8: Spannungs-Dehnungsdiagramme der Versuche an
Generation 2, Charge 3 (bzw. SUPreM CarboDur T512 Lot 001)
Die gemessenen Festigkeiten und Steifigkeiten können mit theoretisch bestimmten
Werten verglichen werden. Letztere lassen sich – unter Vernachlässigung der Wirkung
der Matrix – abschätzen, indem lediglich die Anzahl und die Eigenschaften der darin
enthaltenen Fasern berücksichtigt werden (Tabelle 7; Tabelle 4, der Durchmesser der
Faser T700S beträgt gemäss Herstellerangabe 7 µm). Die auf diese Weise bestimmten
Werte sind in Tabelle 9 enthalten.
Bei den Versuchen an der Charge 3 der Generation 2 (bzw. SUPreM CarboDur T512
Lot 001) stimmen die gemessenen Elastizitätsmoduln recht gut mit dem berechneten
Wert überein (δE = El,exp : El,ber = 0.92). Bezüglich der Festigkeit lassen sich deutlichere
Abweichungen feststellen: das Verhältnis zwischen experimentellem und theoretischem
Wert betrug lediglich δf = flu,exp : fl,ber = 0.74. Diese Beobachtung kann damit begründet
werden, dass die Lamellen im Bereich der Einspannung durch eine Kombination von
Längszug und Querdruck beansprucht wurden und deshalb von dieser Stelle ausgehend
„frühzeitig“ versagten.
Während von der Charge 3 der Generation 2 die Resultate einer etwas umfangreicheren
Versuchsserie vorliegen, wurden anhand der anderen Chargen nur einzelne
Messungen durchgeführt. Für die Charakterisierung der technischen Eigenschaften
wurde deshalb angenommen, dass mit den Faktoren δE = 0.92 und δf = 0.74 auch bei den
letztgenannten Chargen der Bezug zwischen experimentell und theoretisch ermitteltem
Wert hergestellt und dass die Streuung ebenfalls mit den Variationskoeffizienten
vf = 0.054 und vE = 0.027 beschrieben werden kann. Ferner wurden die leicht vonei-
32
2500
2000
1500
1000
500
0
σ [MPa]
0 5 10 15 20
ε [‰]

Entwicklung
nander abweichenden Querschnittsabmessungen in Tabelle 7 zu nominellen Querschnittwerten,
bl,nom und tl,nom, vereinfacht und der daraus folgende nominellen Fasergehalten,
ρf,nom, bestimmt. Mit diesen Überlegungen folgen die charakteristischen
Eigenschaften in Tabelle 10, welche den Vergleich mit den Angaben in Tabelle 1 (Eigenschaften
der Lamelle CarboDur S512) ermöglichen.
Lamellenbezeichnung
Generation 0 0.59
Generation 1 0.64
Generation 2
Charge 1
0.62
Generation 2
Charge 3
„SUPreM
CarboDur
0.63
T 512
Lot 001“
Generation 2
Charge 4
1)
ρf 1) ffu Ef f lu, ber =f fu ⋅ρ f E l, ber =E f ⋅ρ f
[-] [MPa] [GPa] [MPa] [GPa]
0.62
4900 230
ρ f : geometrischer Fasergehalt , ρ f =
nf⋅( d 2
f
2)
b l ⋅t l
Tabelle 9: Abschäzung der mechanischen Eigenschaften
⋅π
2891 136
3136 147
3038 143
3090 145
3023 142
(n f : Anz. Fasern
b l : Lamellenbreite
t l : Lamellendicke)
Zur Untersuchung der thermischen Abhängigkeit der Steifigkeit wurde ein Torsionsschwingversuch
nach DIN 53 445 [5] durchgeführt. Hierbei wird eine streifenförmige
Materialprobe (Lamellenstreifen mit l =50 mm, b =10 mm) oben eingespannt und unten
mit einer Schwungmasse gekoppelt. Die Umgebungstemperatur wird nun stufenweise
gesteigert, wobei bei jeder Stufe die Streifenprobe durch Auslenken der Schwungscheibe
in eine freie Torsionsschwingung versetzt wird. Durch Auswertung von Frequenz
und Dämpfung lassen sich der zur Temperatur gehörende Schubmodul
(Speichermodul G') und die Phasendifferenz tan δ zwischen Scherung und Schubspannung
bestimmen. Auf diese Weise wird neben der Temperaturabhängigkeit der Steifigkeit
auch die Glassübergangstemperatur Tg ermittelt, diese entspricht der Temperatur
mit dem Maximum der Phasendifferenz tan δ (Michaeli und Wegener [17]).
In Bild 9 sind die Resultate von Torsionsschwingversuchen an einer thermoplastischen
Lamelle der Generation 2 sowie auch an einem Streifen Sikadur-30 (Deuring [4])
dargestellt.
33

Die thermoplastische Lamelle
Die Glasübergangstemperatur von Sikadur-30 liegt bei etwa 55°C. Wegen der
amorphen Struktur des Epoxidharzes sinkt die Steifigkeit in diesem Bereich auf ca. 1%
des Raumtemperatur-Wertes. Die Tg des für die thermoplastische Lamelle verwendeten
PA12 liegt bei nur ca. 48°C. Der Steifigkeitsabfall ist aber wegen der teilkristallinen
Struktur hier geringer als bei Sikadur-30, so dass die Frage nach der kritischen Komponente
bei thermischer Beanspruchung offen bleibt.
Neben der Glassübergangstemperatur Tg sollte noch ein anderer thermischer Punkt
beachtet werden: ab ca. 42°C, d.h. vor Erreichen von Tg, beginnen die Steifigkeiten
beider Proben abzunehmen. Unter Umständen sind schon hier Probleme zu erwarten,
wenn ein Bauteil unter hoher Beanspruchung steht und diese Temperatur überschreitet.
Lamellenbezeichnung
Breite 1) Dicke 1) Fasergehalt
2)
Zugfestigkeit 3), 4) E-Modul 5) Bruchdehnung
6)
bl, nom tl, nom ρf, nom flu, 5% flu, m El, m εlu, 5%
[mm] [mm] [-] [MPa] [MPa] [GPa] [‰]
Generation 0 50 1.0 0.59 1949 2139 125 16
Generation 1 50 1.2 0.62 2048 2248 131 16
Generation 2
Charge 1
Generation 2
Charge 3
50 1.2 0.62 2048 2248 131 16
„SUPreM
CarboDur
T 512
Lot 001“
50 1.2 0.65 2148 2357 138 16
Generation 2
Charge 4
50 1.2 0.63 2081 2284 133 16
1) Nominelle Werte.
2) Nomineller Fasergehalt: ρf, nom = (bl·tl)/(bl, nom·tl, nom)·ρf ; (bl, tl, ρf entsprechend Tabelle 7 und Tabelle 9)
3) 5%-Fraktilwert : flu, 5% = flu, m– 1.645·(vf· flu, m) ; (vf = 0.054, entsprechend Tabelle 8)
4) Mittelwert der Zugfestigkeit: flu, m = δf·ρf, nom ·ffu ; (δf = 0.74, ffu entsprechend Tabelle 9)
5) Mittelwert des Elastizitätsmoduls: El = δE·ρf, nom·Ef ; (δE = 0.92, Ef entsprechend Tabelle 9)
6) Zur 5%-Fraktilwert-Festigkeit gehörende Bruchdehnung: εlu, 5% = flu, 5% / El
Tabelle 10: Charakteristische Eigenschaften der Generationen 1 und 2 der thermoplast. Lamelle
Polyamide nehmen – im Vergleich zu anderen Thermoplasten – verhältnismässig viel
Wasser auf. Neben einer Volumenzunahme führt dies auch zu Änderungen der mechanischen
Kennwerte. Innerhalb der PA-Reihe ist PA12 ein Vertreter mit recht geringer
Wasseraufnahme. Trotzdem müssen mögliche Problem bei Dauerkontakt mit Wasser
oder Wasserdampf erwartet und untersucht werden (Kapitel 3.3).
34

1'000
100
10
G' [MPA]
Speichermodul G'
Phasendifferenz tan δ
-100 -50 0 50 100 150
T [°C]
Bild 9: Torsionsschwingversuch an thermoplastischer Lamelle und an Sikadur-30
48°C
42°C 55°C
Thermoplastische Lamelle
Sikadur-30
Entwicklung
tan δ [-]
10
1
0.1
0.01
35

3 Bauteilversuche
3.1 Versuchsprogramm
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
Zur Untersuchung der Wirksamkeit der thermoplastischen Lamelle als Biegeverstärkung
wurden Vierpunkt-Biegeversuche am „Plattenstreifen“ PS durchgeführt. Die Beanspruchung
wurde entsprechend der Darstellung in Bild 10 stufenweise gesteigert, bis
das Versagen erreicht war. Die Resultate ermöglichten die Beurteilung der thermoplastischen
Lamelle als Biegeverstärkung bei statisch aufgebrachten Kurzzeitbelastungen.
Der Grund für die Wahl dieses Versuchskonzepts lag in der einfachen Durchführbarkeit,
der umfangreichen weltweit bestehenden Erfahrung, der guten theoretischen
Erfassbarkeit und der Aussagekraft der Resultate.
Im Rahmen dieser Vierpunkt-Biegeversuche wurden vier unterschiedlich verstärkte
Träger geprüft (PS1...PS4). Bei Träger PS1 bestand die Verstärkung aus zwei thermoplastischen
Lamellen der Generation 1. Als Referenzversuche dienten die Versuche an
den Trägern PS2 (verstärkt mit zwei Lamellen des Typs Sika CarboDur S512) und PS3
(unverstärkter Träger). Bei Träger PS4 wurden zwei thermoplastische Lamellen der
Generation 2 appliziert. Durch Modifikation der Oberfläche („Käsestruktur“) konnte bei
der Lamelle der Generation 2 ein besserer Verbund mit dem Klebstoff Sikadur-30 erreicht
werden als bei der Lamelle der Generation 1. Tabelle 11 enthält eine Zusammenstellung
der einzelnen Versuche.
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
Mit den Langzeitversuchen wurde untersucht, ob sich die thermoplastische Lamelle für
den Einsatz bei anspruchsvollen klimatischen Bedingungen eignet. Dabei wurden Träger
des Typs LV („Langzeitversuchsträger“) mit je einer Lamelle verstärkt und entsprechend
Bild 10 einer konstanten hohen Biegebeanspruchung ausgesetzt.
Die mechanischen Eigenschaften der für die Herstellung der Lamellen verwendeten
Kunststoffe sind abhängig von deren Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt. Um die
Grenze der Anwendbarkeit zu finden, wurden die Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit
stufenweise erhöht. Dieses Vorgehen führte zu einer Versuchszeit von ungefähr
zwei Jahren.
Für die Versuchsdurchführung wurde eine Vorrichtung verwendet, die zwei Prüfkörper
gleichzeitig belasten kann. So war es möglich, den Träger LV1 (verstärkt mit einer
thermoplastischen Lamelle) und den Träger LV2 (verstärkt mit einer Lamelle Sika
CarboDur S512) parallel zu prüfen.
37

Bauteilversuche
Vor der Durchführung der Versuche LV1 und LV2 wurden zwei analoge Träger LV1*
und LV2* getestet, wegen eines technischen Problems mit der Klimasteuerung versagten
diese aber frühzeitig. In Tabelle 11 sind die Versuchsparameter der Langzeitversuche
aufgelistet.
PS LV
ET
Bild 10: Übersicht über die Versuchstypen
38
810
Q
1360
Q Q = 17.6 kN
Q
Q
520
Q
200
480 810
1000 300 1000
2100
Q
t
M
V
6
2240
6000
1010 Lastzyklen
Q
520
Q
Q
2300
Q
1360
M = 17.6 kNm
t
t
M
V
500
M
V
[mm]
160

Versuchsprogramm
Versuch am Träger ET: Ermüdung und Bruchversuch
Von den handelsüblichen CFK-Lamellen ist bekannt, dass sie recht unempfindlich sind
gegenüber Ermüdungsbeanspruchungen. Um das entsprechende Verhalten der thermoplastischen
Lamelle zu untersuchen, wurde der von der Spannweite her mit wirklichen
Bauteilen vergleichbare „Ermüdungsträger“ ET damit verstärkt und insgesamt 10 Millionen
zyklischen Lastwechseln ausgesetzt (Beanspruchung gemäss Darstellung in Bild
10). Die erste Hälfte dieser Lastzyklen (LZ) erfolgte bei Raumklima, die zweite Hälfte
bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mehr als 90%.
Nach der Ermüdungsuntersuchung wurde die Beanspruchung statisch erhöht, bis der
Träger versagte.
Die Geometrie und Bewehrung des Trägers ET sowie die Lastanordnung und teilweise
auch der Versuchsablauf wurden übernommen von früher realisierten Arbeiten
(Deuring [4], Sika [21]). Die Resultate dieser vorangegangenen Versuche konnten zum
Vergleich herbeigezogen werden, daher wurde auf die Durchführung eines Referenzversuchs
verzichtet. Die wichtigsten Merkmale des Versuchs am Träger ET sind in Tabelle
11 enthalten.
Bezeichnungen
Die Träger der drei Versuchseinheiten tragen die Namen PS, LV und ET. Zur Vereinfachung
der Verständigung werden die zugehörigen Versuche ebenfalls als PS, LV und ET
bezeichnet (im Versuch PS2 wurde also der Träger PS2 geprüft).
Bez. Prüfkörper Biegezugbewehrung
Verstärkungslamelle Versuchsaspekte
l b h As Typ Al, tot 1)
PS1
PS2
PS3
PS4
LV1*
LV2*
LV1
LV2
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm 2 ]
2300 500 200 252
2500 160 160 308
ET 6700 900/
260
1) nominelle Querschnittsfläche
500 2124
Th.L., Gen. 1
CarboDur S512
-
Th. L., Gen. 2, Ch. 1
Th. L., Gen. 2, Ch. 2
CarboDur S512
Th. L., Gen. 2, Ch. 2
CarboDur S512
Th. L., Gen. 2, Ch. 2
(SUPreM CarboDur
T512)
Tabelle 11: Übersicht über das gesamte Versuchsprogramm
120
120
-
120
60
60
60
60
240
Vierpunkt-Biegung,
Kurzzeitbeanspruchung,
statischer Bruchversuch.
Vierpunkt-Biegung,
Langzeitbeanspruchung,
erhöhte Temperatur,
erhöhte Feuchtigkeit.
Grossbauteil,
Ermüdungsverhalten,
statischer Bruchversuch.
39

Bauteilversuche
3.2 Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
3.2.1 Der Träger PS
Abmessung und Bewehrung
Für die Vierpunkt-Biegeversuche wurde der Versuchsträger PS („Plattenstreifen“) entworfen.
Die Dimensionen und Proportionen dieses Trägers sollten vergleichbar sein mit
reellen Bauteilen. Gleichzeitig war die Grösse beschränkt, denn die für die Versuche
vorgesehene Tonindustrie Biege- und Scheiteldruckprüfmaschine erlaubte eine maximale
Spannweite von 2100 mm. Die Querschnittsmasse, die Bewehrungsüberdeckung
und der Bewehrungsgehalt wurden so gewählt, dass durch die Applikation von zwei
Lamellen eine sinnvolle Verstärkungswirkung erreicht wird. In der Trägermitte (zwischen
den Krafteinleitungen) wurden keine Bügel gesetzt, damit sich dort ein ungestörtes
Rissbild ausbilden kann.
In Bild 11 sind die Masse und die Bewehrung des Trägers PS sowie die beim Versuch
realisierte Lagerung und Krafteinleitung dargestellt. Im Rahmen der Versuchsserie
wurden vier Träger (PS1...PS4) mit unterschiedlicher Verstärkung geprüft. Tabelle 12
enthält eine Zusammenstellung der Geometrie und der verwendeten Lamellen.
100
Bild 11: Versuche PS - Trägermasse, Bewehrung und Laststellung
40
[mm]
810
875 (Bügelbereich)
3 ø 8
5 ø 8
2300
480
Q Q
550 (Bügelfrei)
Bg ø 8, s=75
2000 (Lamellenlänge)
3 ø 8
Bg ø 8, s =75
5 ø 8
Betonüberdeckung 30
125
Stahlplatte
55×580×40
50
810
500
150
50
100
116
42
42
Stahlplatte
50×1000×15
CFK - Lamellen
ζ
200

Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
Bez. Prüfkörper Bewehrung Lamellen Herstellung
PS1
PS2
PS3
PS4
l b h As ζ(As) As' ζ(As') Bügel Typ Anz. Al 1) ζ(Al)
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm]
2300 500 200 252 158 151 42
1) nominelle Werte
Tabelle 12: Versuche PS – Zusammenstellung
Ø8,
s=75
Th. L., Gen. 1
CarboDur S512
-
Th. L., Gen. 2, Ch. 1
2
2
-
2
60
60
-
60
201
201
-
201
19.04.'99
Versuchstermin
19.05.'99
31.05.'99
23.06.'99
06.08.'99
Baustoffe
Beton
Die Träger der Serie PS stammten alle aus der gleichen Betoncharge und wurden am
gleichen Tag betoniert. Der Beton der Qualität B35/25 wurde von der Firma Hard AG
(Volketswil, ZH) hergestellt und mit dem Fahrmischer zur Verarbeitung an die EMPA
Dübendorf transportiert. Die Frischbetonkontrolle ergab die in Tabelle 13 zusammengestellten
Werte.
Der Zuschlag bestand aus Rundkies mit einem Grösstkorndurchmesser von 32 mm
und einer Korngrössenverteilung gemäss Bild 12. Als Bindemittel wurde Portlandzement
Cem I 42.5 mit einer Dosierung von 300 kg/m3 verwendet.
Trägerherstellung Lufporengehalt
Verdichtungsmass
nach Walz
Ausbreitmass W/Z-Wert
[%] [-] [cm] [-]
19.04.1999 1.0 1.15 38 0.58
Tabelle 13: Versuche PS – Eigenschaften des Frischbetons nach Norm SIA 162/1 (1989) [20]
Mit Würfeldruckversuchen nach Norm SIA 162/1 [20] wurde die Druckfestigkeit
ermittelt. Die drei Prüfkörper hatten eine Kantenlänge von 200 mm, waren am Tag der
Prüfung 30 Tage alt und wurden mit einer Geschwindigkeit von 0.6 MPa/s belastet.
Nachdem die Versuchsserie PS abgeschlossen war, wurde die Zugfestigkeit des Betons
geprüft. Zu diesem Zweck wurden aus dem Versuchsträger PS3 fünf Bohrkerne mit
Durchmesser 50 mm entnommen (Bohrrichtung „vertikal“), die Enden abgeschnitten
und mit Stahlkappen für die Lagerung in der Zugprüfmaschine verklebt. Die schliesslich
ca. 150 mm langen Zylinder wurden mit einer Belastungsgeschwindigkeit von
0.05 MPa/s geprüft; das Alter zur Zeit der Prüfung betrug ca. 20 Monate. Alle Festigkeitsmesswerte
sind in Tabelle 14 zusammengestellt.
41

Bauteilversuche
Bild 12: Versuche PS – Korngrössenverteilung des Betonzuschlags
Würfeldruckversuche Bohrkernzugversuche
Rohdichte WürfeldruckfestigBohrkernzugfestig- Bemerkung:
keitkeit
Bruch im/ bei...
ρc
Versuche 2395
2393
2399
fcw
fctb
[kg/m 3 ] [MPa] [MPa]
41.6
42.8
40.3
2.2
1.3
2.6
2.7
2.3
Mittelwert 2396 41.6 2.2
Standardabweichung
3.1 1.3 0.6
Tabelle 14: Versuche PS – Festigkeitswerte des Betons
Stahlbewehrung
...Betongefüge
...Betongefüge
...Betongefüge
...Bewehrungsstab
...Bewehrungsstab
Die Zug- und Druckbewehrung bestand aus geripptem Betonstahl mit nominellem
Durchmesser Ø = 8 mm vom Typ topar-S (SIA-Register-Nr. 4.6: aus der Walzhitze
vergütetes Stabmaterial der Firma Stahl Gerlafingen AG).
An drei Proben wurden Zugversuche nach Norm SIA 162/1 [20] durchgeführt. In der
Mitte der freien Prüflänge war ein kalibriertes Extensometer mit einer Basislänge von
lo = 5·Ø = 40 mm angebracht, mit dem die Dehnung in diesem Bereich erfasst wurde.
Vor Erreichen der Fliessspannung fy betrug die Prüfgeschwindigkeit ca. 20 MPa/s, danach
wurde mit einer Verformungsgeschwindigkeit von (0.1·lo)/min gefahren. Bei einem
der Versuche lag die Einschnürung ausserhalb von lo, deshalb fehlt der entfestigende
42
100
80
60
40
20
0
Sieblochdurchgang [Massen-%]
0.125 0.25 0.5 1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 31.5 45.0
Sieblochgrösse [mm]
Beton der Träger PS
Grenzbereich gemäss Norm SIA 162

Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
Teil der Kurve. Die Spannungs-Dehnungsdiagramme sind in Bild 13 enthalten. Die
mechanischen Kennwerte in Tabelle 15 beziehen sich alle auf den nominellen Querschnittsdurchmesser
(und nicht auf den aus Wägung und Längenmessung bestimmten
effektiven Durchmesser).
Für die Bügelbewehrung wurde ein Betonstahl mit Durchmesser Ø = 8 mm vom Typ
BSW-Super-Ring verwendet (SIA-Register-Nr. 13.4: warmgewalztes Ringmaterial der
Firma Badische Stahlwerke GmbH). Dieses Material wurde ohne weitere Untersuchungen
eingesetzt.
Nennquerschnitt
As,nom
Versuche 50.3
50.3
50.3
Querschnitt aus
Wägemessung
As,f(M,l,ρ)
Fliessgrenze
fy
Zugfestigkeit
[mm 2 ] [mm 2 ] [MPa] [MPa]
51.0
50.4
51.1
Mittelwert
Standardabwei-
50.3 50.8 554 616
chung 0 0.4 11 17
566
544
552
Tabelle 15: Versuche PS – Mechanische Kennwerte der Biegebewehrung (Festigkeitswerte
beziehen sich auf den Nennquerschnitt)
600
400
200
0
σ [MPa]
0 50 100 150 200 250
ε [‰]
Bild 13: Versuche PS - Spannungs-Dehnungs-Diagramme der Biegebewehrung
CFK-Lamellen
Die für die Verstärkung der Träger eingesetzten CFK-Lamellen waren die eigentlichen
Versuchsparameter. Die Materialeigenschaften sind in den Kapiteln 2.1.1 und 2.2.4
ftk
636
608
605
43

Bauteilversuche
dargestellt. In der Übersicht in Tabelle 12 sind die Versuche und die jeweils eingesetzten
Lamellen zusammengefasst.
Klebstoff
Für die Applikation der Lamellen wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet. Die Eigenschaften
dieses Klebstoffes sind in Kapitel 2.1.1 zusammengestellt.
3.2.2 Versuchsdurchführung
Versuchsanlage
Für die Versuche wurde die in Bild 14 gezeigte Biege- und Scheiteldruckprüfmaschine
der Firma Tonindustrie (Berlin) verwendet. Die Anlage besteht aus einem Rahmen, in
welchen Bauteile mit einer Gesamtlänge von max. 2.4 m hineinpassen. In der Mitte des
oberen Trägers ist eine hydraulische 400 kN-Presse befestigt, die von einer manuell gesteuerten
Ölpumpe gespiesen wird. Die Vorrichtungen für die Bauteillagerung und für
die Krafteinleitung sind verstell- bzw. auswechselbar, so dass eine Vielfalt von Versuchen
durchgeführt werden kann.
Bild 14: Tonindustrie Biege- und Scheiterdruckprüfmaschine
(Baujahr 1967, Serie-Nr. 2626)
Orientierung
Die Prüfmaschine stand nahe an einer Wand, eine ungestörte Versuchsbeobachtung war
daher nur von „vorne“ her möglich. Daraus ergaben sich die Bezeichnungen „links“,
44

Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
„rechts“ und „hinten“, wobei die Blickrichtung „vorne“ – „hinten“ in der Achse NNW –
SSO lag.
Lagerung und Krafteinleitung
Für die Versuche am Plattenstreifen PS wurden die Auflagerblöcke so fixiert, dass die
Spannweite zwischen den Auflagepunkten 2.1 m betrug. Die auf dem linken Block
(entsprechend Bild 14) liegende Stahlrolle wurde gehalten, während die Rolle rechts
horizontal verschieblich gelagert war. Mit zwei im Abstand von 0.48 m an einem Verteiljoch
montierten Rollenlagern wurde die Kraft eingeleitet. Beide dieser Lager erlaubten
horizontale Bewegungen des Prüfkörpers.
Mit Mörtelbetten wurde eine einwandfreie Krafteinleitung an diesen Kontaktorten
ermöglicht.
Messungen
Fest verdrahtete Messinstrumente
Für die kontinuierliche Erfassung der globalen Biegeverformung wurden die sechs in
Bild 15 dargestellten induktiven Wegaufnehmer (W3...W8) eingesetzt: W5 und W6 für
die Durchbiegungsmessung in Trägermitte und W3, W4, W7 und W8 für die Messung
der Durchbiegung bei den Krafteinleitungen.
Die eingesetzten Aufnehmer hatten einen Messbereich von ±50 bzw. ±100 mm. Der
maximal zu erwartende Fehler lag bei ±0.2% des Messwertes.
Mit Hilfe von Dehnmessstreifen wurde die Betonstauchung in der Mitte der Trägeroberseite
(DMS1) und die Dehnung in den Lamellenmitten (DMS2, DMS3) gemessen.
Die Messlänge von DMS1 betrug 150 mm, die von DMS2 und DMS3 je 50 mm. Der
Betrag des Messfehlers betrug (gemäss Herstellerangaben) maximal ±1% der Messlänge.
Die Pressenkraft konnte über den in der Pressenkammer herrschenden Öldruck bestimmt
werden. Die auf diese Weise bestimmte Kraft hatte (gemäss Kalibrierungsbericht)
im Bereich bis 200 kN eine maximale Abweichung zum Sollwert von 0.74%.
Die Registrierung aller von den fest verdrahteten Instrumenten stammenden Messwerte
erfolgte automatisch in Zeitintervallen von 5 Sekunden.
Manuelle Messungen
Für eine etwas detailliertere Erfassung der Biegeverformungen wurden Aluminiumbolzen
appliziert, die die 200 mm-Messstrecken D1...D27 markierten (Bild 15). Mit einem
Deformeter (Setzdehnungsmessgerät mit Auflösungsvermögen 1 µm) konnte die Längenänderung
dieser Strecken gemessen und die zugehörige mittlere Dehnung bestimmt
werden.
Damit eine z.B. temperaturbedingte Messgerätveränderung erfasst werden konnte,
wurde folgender Messablauf eingehalten: Eichmessung am Invarstab (Messstrecke D0),
Durchführung der eigentlichen Messung (Messstrecken D1...D27), Abschlussmessung
am Invarstab (D28); die Abweichung von dieser letzten Eichmessung (D28) zur ersten
Eichmessung (D0) wurde als systematischer Fehler interpretiert, der parallel zur Mess-
45

Bauteilversuche
reihe entstanden ist und daher zur Korrektur der „fehlerbehafteten“ Messungen
(D1...D27) verwendet werden kann.
Die Deformetermessung lieferte den Dehnungsverlauf entlang der Lamellen sowie
die Verformung des Querschnitts in Trägermitte.
Die während der Belastung auf der „Vorderseite“ entstandenen Risse wurde mit einem
Filzstift nachgezeichnet und deren Breite auf Höhe der Zugbewehrung mit einem
Rissmassstab (Auflösungsvermögen 0.05 mm) gemessen.
[mm]
Bild 15: Versuche PS - Messungen am Träger
46
vorne (hinten)
hinten
oben
vorne
vorne
40 240 240 240
hinten
W4
W6
W3 W5 W7
DMS3
D14
S1 S2 S3 S4 DMS2
S5 S6 S7 S8
unten
D4
D19
D5
D20
W3 (W4) W5 (W6) W7 (W8)
Q
Q
D6
D21
D7
D22
Legende
Induktiver Wegaufnehmer (Ansicht)
Induktiver Wegaufnehmer (Achsrichtung)
DMS
Deformetermessstrecke (500 mm)
Deformetermessmarke Ansicht
Deformeter für manuelle Messung
Silverpaint-Streifen (bei PS4)
D13
D8
D23
D15
D2 (D17)
D3 (D18)
W8
D9
D24
116
Lasteinleitplatte Lagerplatte
D16
DMS1
D1
175
175
42
42
25
50
50
25
75
D10
D25
75
W2, W4, W6
hinten
D11
D26
D12
D27
2550 50 25
350
75 75 100 100 75 75
W3, W5, W7
vorne
116
42
42

Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
Die Durchführung der manuellen Messungen erfolgte bei vorher festgelegten Laststufen.
Hierbei wurde der Belastungsvorgang unterbrochen und die Verformung konstant
gehalten, bis die Messungen abgeschlossen waren. Das Mittel von zwei vor
Belastungsbeginn durchgeführten Nullmessungen diente als Referenz. Die Aufzeichnung
der Deformetermessungen erfolgte direkt mit dem Computer, für die Protokollierung
der Rissweiten wurden diese am Träger angeschrieben und fotografisch
festgehalten.
Zusatzmessung bei Versuch PS4: „Silverpaintmethode“ zur Erfassung des Abschälvorganges
Bei Biegeversuchen an Stahlbetonträgern, die mit CFK-Lamellen verstärkt sind, wird
meist ein vorzeitiges Versagen des Systems beobachtet: in einem Sekundenbruchteil
lösen sich die Lamellen vom Träger ab („Abscheren“ bzw. „Abschälen“ der Lamellen).
Dieser Vorgang läuft so schnell, dass er von blossem Auge oder mit gängigen Messungen
(z.B. Videoaufnahme) nicht erfasst werden kann.
Mit Hilfe der „Silverpaintmethode“ wurde der Abschervorgang genauer untersucht.
Die Methode basiert auf einem einfachen Konzept: Mit stromleitfähiger Farbe („Silverpaint“)
wurden acht Streifen (S1...S8) quer über die Lamellen auf der Trägerunterseite
gemalt (Bild 15). Ein entlang einer Lamelle laufender Riss (=Lamellenablösen)
musste diese Leiter unterbrechen, so dass von deren Versagensreihenfolge auf den Abschälursprung
geschlossen werden konnte.
1 kΩ
2 kΩ
Silverpaintstreifen
am Betonbalken
Bild 16: Schaltung zur Erfassung des Silverpaintstreifenleitfähigkeit
S1
S2
U = konst.
Oszilloskop
U (Kanal 1)
mess
Für die Messung selbst wurde ein Oszilloskop verwendet, das mit einer hohen Abtastrate
die Leitfähigkeit der Streifen kontrollierte. Das zur Verfügung stehende Gerät
hatte vier Kanäle, so dass für die Überwachung von acht Streifen ein „Trick“ angewendet
werden musste. Zu diesem Zweck wurden je zwei Streifen mit der in Bild 16 dargestellten
Schaltung verbunden (S1+S2, S3+S4, S5+S6, S7+S8). Jeder Streifen wurde mit
einem Vorwiderstand von unterschiedlicher Grösse (1 kΩ bzw.2kΩ) mit der Versorgungsspannung
verbunden. Der Unterbruch eines einzelnen Silverpaintstreifens führte
V
100 Ω
47

Bauteilversuche
zu einer eindeutigen Spannungsänderung am 100Ω-Widerstand. Dadurch konnte klar
zugeordnet werden, welcher Leiter zu welchem Zeitpunkt versagt hatte:
� „kleiner“ Spannungsabfall bei Leiter S1, S3, S5, S7;
� „grosser“ Spannungsabfall bei Leiter S2, S4, S6, S8.
Der Arbeitsspeicher des Oszilloskops konnte pro Kanal maximal 106 Messwerte
aufnehmen. Es wurde beschlossen, mit einer Messfrequenz von f =105 Hz zu arbeiten
und damit ein Zeitfenster von 10 s zu erfassen. Das Versagen von Leiter S2 oder S7
löste die Messung aus, dieses Ereignis selbst wurde an die Stelle 7 s im 10 s-Zeitfenster
gelegt (Bild 23).
Versuchsvorbereitung und -ablauf
Versuchsvorbereitung
Die wesentlichste Arbeit im Rahmen der Versuchsvorbereitung fand ungefähr eine
Woche vor der Durchführung statt: das Verstärken das Trägers durch Aufkleben von
zwei CFK-Lamellen. Diese Arbeit wurde entsprechend dem heute üblichen Vorgehen
verrichtet, unabhängig also von der Art der Verstärkungslamelle.
Folgende Zusammenstellung enthält eine stichwortartige Beschreibung der Arbeitsschritte
(Vorgehen gemäss Sika [21]) :
� Vorbereiten der Betonoberfläche (hier durch „Stocken“: Bearbeitung des Betons mit
einem Schlaghammer bis eine rauhe Oberfläche vorliegt, die aus leicht freigelegten
Zuschlagkörnern besteht).
� Reinigen der gestockten Fläche mit Druckluft und Staubsauger.
� Die für die Klebung vorgesehene Lamellenseite mit Lösungsmittel (z.B. Aceton) reinigen.
� Klebstoff Sikadur-30 im Massenverhältnis Harz : Härter = 3:1 anmischen.
� Mit Spachtel den Klebstoff in die rauhe gestockte Betonoberfläche einreiben und dann
glatt abziehen.
� Mit dem übrigen Klebstoff einen dachförmigen Auftrag auf der gereinigten Lamellenseite
aufbringen („Giebelhöhe“ 2-3 mm).
� Mit Hilfe eines Gummirollers die Lamelle andrücken, so dass der Klebstoff seitlich
ausgepresst wird. Auf diese Weise wird eine gleichmässige Klebstoffschicht mit einer
Dicke von ca. 1 mm angestrebt.
Während der ersten 24 Stunden nach der Applikation der Lamellen wurden keine
weitere Arbeiten am Träger verrichtet. Danach konnten die Aluminiumbolzen für die
Deformetermessungen und die Dehnmessstreifen angebracht und der Versuchskörper
weiss gestrichen werden.
Für den Einbau in die Prüfmaschine wurde der Träger mit Mörtel auf die Stahlplatten
der Rollenlager gebettet. Als letztes folgten die Anpassung der Krafteinleitung, die
Montage und Einstellung der induktiven Wegaufnehmer sowie die Verkabelung und
Justierung aller Messinstrumente.
Die Vorbereitungen für die Durchführung der „Silverpaintmethode“ bei Versuch PS4
waren nicht besonders aufwändig. An den Enden der geplanten Silverpaintstreifen
48

Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
wurden Kupfernieten an den Träger geklebt, dann wurden die Streifen selbst gemalt. An
die Kupfernieten konnten dann die zum Oszilloskop führenden Kabel gehängt werden.
Neben den technischen Vorbereitungen wurde im Rahmen der Vorarbeiten auch die
Durchführung geplant, die wegen der unterschiedlichen Verstärkungen bei den einzelnen
Versuchen leicht verschieden war. Die Grundlage dafür war die Berechnung der
Riss-, der Stahlfliess- und der Versagenslast sowie der zugehörigen Verformungen. Mit
dieser Prognose war die Festlegung der Laststufen für die manuellen Messungen möglich.
Aus Gründen der Arbeitssicherheit musste die letzte Laststufe besonders sorgfältig
geplant werden: wegen der Messarbeiten in unmittelbarer Trägernähe durfte die zugehörige
Kraft nicht höher sein als 90% der prognostizierten Versagenskraft.
Versuchsablauf
Vor Belastungsbeginn wurden sowohl ein Nullabgleich der von den fest verdrahteten
Instrumenten stammenden Messwerte als auch zwei Nullmessungen mit dem Deformeter
durchgeführt.
Durch manuelle Bedienung eines Handrads wurde die Kraft langsam gesteigert.
Nachdem die für eine Laststufe massgebende Kraft oder Verformung erreicht war,
konnte durch vorsichtige Regulierung an diesem Rad die Verformung konstant gehalten
werden, bis die Messungen beendet und die fotografischen Aufnahmen gemacht waren.
Mit diesen Resultaten und den Vergleichswerten, die bei der Berechnung bestimmt
worden sind, war eine zuverlässige Versuchsüberwachung möglich. Nach Abschluss aller
manueller Messarbeiten folgte wieder eine Phase der Kraftsteigerung bis zur nächsten
Laststufe. Auf diese Weise wurde die Kraft kontinuierlich erhöht (ohne Entlastung),
bis nach etwa 90 Minuten das Versagen erreicht war.
3.2.3 Versuchsresultate
Auswertung und Darstellung der Messdaten
Fest verdrahtete Messinstrumente
Die von den fest verdrahteten Instrumenten erhaltenen Signale wurden mit Hilfe von
selbst bestimmten Eichprotokollen oder mit gerätespezifischen Umrechnungsparametern
in die gesuchte Messgrösse umgewandelt. Der für die Messung eingesetzte Computer
übernahm diese Aufgabe, so dass die auf diese Weise bestimmten Werte als „direkt
gemessen“ bezeichnet werden. Für die Ermittlung von abgeleiteten Messwerten wurden
manuelle Auswertungen durchgeführt.
Die Wegaufnehmer (W3...W8) dienten der Messung der Trägerdurchbiegung bei den
Krafteinleitungen und in der Trägermitte. Für die Erfassung einer allfälligen Torsionsverformung
wurden an jeder dieser Stellen zwei Aufnehmer platziert: einer „vorne“ und
einer „hinten“. Die Torsionsverformung erwies sich schliesslich als vernachlässigbar, so
dass nur die Mittelwerte der von den Wegaufnehmerpaaren (W3,W4), (W5,W6) und
(W7,W8) gemessenen Werte verwendet wurden.
Die Änderung des elektrischen Widerstands eines Dehnmessstreifens gibt eine Angabe
über die zugehörige Dehnung. Die Umrechnung wurde mit der Messsoftware des
am Messverstärker angeschlossenen Computers durchgeführt.
49

Bauteilversuche
Die Kraftmessung erfolgte - wie bereits erwähnt - über den Öldruck in der Pressenkammer.
Um Verwechslungen zu vermeiden, wurde die Bezeichnung dieser Gesamtkraft
stets mit einem Zähler versehen, der der Anzahl der auf den Prüfkörper wirkenden
Krafteinleitungen entsprach: Beim hier beschriebenen Vierpunkt-Biegeversuch gab es
zwei Krafteinleitungen, die Gesamtkraft war also 2Q.
In Tabelle 16 sind die Zusammenhänge zwischen den Messinstrumenten und den daraus
folgenden Messwerten dargestellt.
Manuelle Messungen
Die mit dem Deformeter gemessene Längenänderungen der Strecken D1...D27 wurden
zuerst korrigiert, um den beim Messvorgang entstandenen systematischen Fehler zu
eliminieren (Kapitel 3.2.2). Dabei wurden die Werte um den an ihnen vermuteten Anteil
(unter Annahme einer linearen Fehlerentstehung) des Gesamtfehlers (aus der Differenz
der Eichmessungen am Invarstab, d.h. D28-D0) berichtigt. Danach folgte die
Subtraktion der Nullmessung von allen übrigen Messungen und die Division dieser
Differenzen durch die Basislänge der Messstrecken, um schliesslich die mittleren Dehungen
zu erhalten.
Die auf diese Weise ermittelten Lamellendehnungen werden direkt ausgewiesen. Die
Dehnungen aus den Messstrecken D1...D3, D8, D13...D18 und D23 wurden für die Bestimmung
der mittleren Querschnittsverformung verwendet. Für die zweidimensionale
Darstellung in Bild 24 wurden aus den auf gleicher Querschnittshöhe liegenden Dehnungswerten
der Mittelwert verwendet.
In Tabelle 16 ist eine Übersicht über das Zustandekommen aller dargestellter Messresultate
gegeben.
Messinstrument/
physische Messgrösse
Induktive
Wegaufnehmer
Dehnmessstreifen
Pressenkraft
Deformetermessstrecken
direkter Messwert abgeleiteter Messwert
Messwert Auswertung Messwert Auswertung
W3..W8 w1...w8 direkt gemessen wm
DMS1
DMS2
DMS3
D1...D3
D13...D16
D4...D12
D19...D27
εc (DMS1)
εl (DMS2)
εl (DMS3)
direkt gemessen
2Q 2Q direkt gemessen
εc (D1)...εc (D3)
εc (D13)...ε c (D16)
εl (D4)...εl (D12)
εl (D19)...εl (D27)
Korrektur systematischer
Messfehler, Differenzbildung
zur Nullmessung, Bezug zur
Basislänge
Tabelle 16: Versuche PS - Vom Messinstrument zum Messwert
50
wQ,l
wQ,r
εc, sup
εs, sup
εs, inf
εc, inf
εl, m
Mittelwert {w5, w6}
Mittelwert {w3, w4}
Mittelwert {w7, w8}
Mittelwert {εc (D1), εc (D16)}
Mittelwert {εc (D2), εc (D17)}
Mittelwert {εc (D3), εc (D18)}
Mittelwert {εc (D13)...εc (D15)}
Mittelwert {εl (D8), εl (D23)}

„Silverpaintmethode“
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
Jeder der vier Oszilloskopkanäle lieferte ein Diagramm, das den Zustand von je zwei
Silverpaintstreifen während den letzten ca. 10 Sekunden vor dem Trägerversagen darstellte.
Auf der Ordinate war die vom Gerät gemessene elektrische Spannung aufgetragen.
Beim Versagen des einen Streifens kam es zu einem ersten, beim Versagen des
zweiten Streifens zu einem weiteren Spannungsabfall. Diese Abfälle waren unterschiedlich
gross, so dass eine eindeutige Zuordnung der Streifen möglich war.
Das eigentliche Versagensereignis lag in einem sehr schmalen Abschnitt des 10-Sekunden-Zeitfensters.
Dieser Bereich der vier Diagramme wurde zur genaueren Betrachtung
übereinandergelegt.
Versuch PS1
Bei Versuch PS1 wurde ein Träger geprüft, der mit zwei thermoplastischen Lamellen
der Generation 1 verstärkt war.
Laststufe
0
1
2
3
4
5
6
7
8
2Q wm εc (DMS1) εl (DMS2) εl (DMS3) Bemerkung
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]
0.0
0.0
14.5
14.4
25.6
24.1
32.8
30.2
45.4
41.7
73.0
68.7
79.8
76.4
89.8
86.6
99.9
95.8
0.0
0.0
0.28
0.29
0.66
0.66
1.40
1.32
3.44
3.35
7.86
7.87
9.10
9.13
12.40
12.5
16.20
16.3
0
0
-0.06
-0.06
-0.13
-0.13
-0.25
-0.25
-0.45
-0.44
-0.77
-0.76
-0.87
-0.87
-1.10
-1.11
-1.33
-1.34
0
0
0.05
0.05
0.22
0.26
0.85
0.93
1.67
1.66
3.10
3.07
3.63
3.63
5.27
5.26
6.82
6.77
0
0
0.06
0.06
0.14
0.15
0.50
0.59
1.47
1.46
3.03
3.02
3.55
3.56
5.21
5.23
6.76
6.71
Nullmessungen
ungerissen
(Zustand I) 1)
Erstriss bei
2Q = ca. 26 kN
Zustand II 1)
Zustand II 1)
Zustand II 1)
Zustand II 1)
Zustand III 1)
Zustand III 1)
Zustand III 1)
110.0 20.49 -1.55 8.2 8.1 Höchstlast
1) Zustand I: Träger ungerissen
Zustand II: Träger gerissen, Stahlbewehrung unterhalb der Fliessgrenze beansprucht
Zustand III: Träger gerissen, Stahlbewehrung im fliessen
Tabelle 17: Versuch PS1 – Laststufen
In Tabelle 17 sind die Laststufen aufgelistet, bei welchen manuelle Messungen
durchgeführt wurden. In Bild 20 ist der Kraft-Durchbiegungsverlauf des Versuchs PS1
enthalten. Um den Vergleich unter den einzelnen Versuchen zu vereinfachen wurden die
51

Bauteilversuche
dort dargestellten Kurven „geglättet“, indem die während dem Verweilen auf den Laststufen
entstandenen Daten gelöscht wurden. In Bild 24 sind die Durchbiegungsverläufe
bei den Krafteinleitungen und in Trägermitte sowie die Lamellendehnungen und die
Stauchung auf der Trägeroberseite gegeben (Messdaten ohne Glättung). Bild 25 enthält
den Dehnungszustand der Lamellen und des Querschnitts in Trägermitte bei einigen
ausgewählten Laststufen.
Bild 17: Versuch PS1 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers
Bei 2Q = 26 kN wurde der erste Riss erkannt (Übergang Zustand I – Zustand II).
Entsprechend den geplanten Laststufen wurde die Kraft weiter gesteigert, bei
2Q = ca. 74 kN begann der Bewehrungsstahl zu fliessen (Übergang Zustand II – Zustand
III) und bei 2Q = 110 kN versagte der Träger durch plötzliches Abscheren der
Lamelle.
Im Verlauf dieser Belastungsgeschichte hatten sich stetig neue Risse gebildet, eine
Entwicklung, die ausserhalb des Trägermittelbereichs auch nach Überschreiten des
Stahlfliessens noch anhielt und schliesslich zu einem recht ausgeglichenen Rissbild
führte. In der bügelfreien Trägermitte verliefen die Risse vertikal mit einem mittleren
Abstand von ca. 101 mm (Zustand nach Versagen des Trägers), während sie ausserhalb
52

Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
dieser Zone vertikal bis leicht geneigt waren und an den Orten der Schubbügel lagen.
Nach dem Versagen des Trägers konnten insgesamt 15 Risse gezählt werden. Die Entwicklung
des Rissbildes und die Rissweiten auf der Höhe der Stahlbewehrung sind in
Bild 17 dargestellt.
Nach Versagen des Trägers waren beide Lamellen auf der „rechten“ Seite abgelöst.
Die ursprünglich am Träger haftende Seite der Lamelle war vorwiegend schwarz und
sah fast unbeschädigt aus, während am Beton ein durchgehender grauer Klebstoffstreifen
zurückgeblieben war (Bild 18a)). Offenbar hatte hier der Verbund zwischen Lamelle
und Klebstoff versagt. Daneben hatte es aber auch andere (kleinere) Bereiche, in welchen
die Versagensebene innerhalb der Lamelle oder der Klebstoffschicht (beides vor
allem im Trägerendbereich zu finden) oder im Beton (im Trägermittelbereich zu finden)
lag.
Der Ursprung des Ablösens konnte wegen der hohen Geschwindigkeit des Vorgangs
nicht bestimmt werden.
Bild 18: Versuche PS1,PS2, PS4 – Abgeschälte Lamellen
Versuch PS2
Bei Versuch PS2 war der Prüfkörper mit zwei Lamellen des Typs Sika CarboDur S512
verstärkt.
Die Laststufen für die manuellen Messungen sind in Tabelle 18 gegeben. Die Resultate
der kontinuierlichen Messungen sind in Bild 20 und Bild 24 dargestellt, ausgewählte
Dehnungszustände aus den manuellen Messungen sind in Bild 25 enthalten.
Bei 2Q = 28 kN bildete sich der erste Riss, bei 2Q = ca. 78 kN begann der Stahl zu
fliessen. Das Versagen folgte bei 2Q = ca. 127 kN durch plötzliches Abscheren der
Lamellen.
Die Rissentwicklung verlief ähnlich wie bei Versuch PS1: Die Rissbildung ausserhalb
der Trägermitte hielt an bis zu einer Kraft, bei welcher die Stahlfliessgrenze schon
deutlich überschritten war (Bild 19). Auch das am Schluss vorliegende Rissbild liess
53

Bauteilversuche
sich mit dem von PS1 (Bild 17) vergleichen, wenn auch hier etwas mehr Risse entstanden
waren (ca. 17 Risse) und die Abstände im bügelfreien Bereich leicht geringer waren
(ca. 94 mm).
Beim Versagen hatten sich die Lamellen auf der „linken“ Seite gelöst. Die äusserste
Betonschicht wurde über weite Bereiche mitgerissen. Dieser an den Lamellen verbliebene
„Mörtel“ hatte eine Dicke von ca. 1 bis 3 mm, darin eingebettet waren Zuschlagkörner
mit Durchmesser bis ca. 5 mm (Bild 18b)). Am Lamellenende sah die
Trennfläche anders aus. Hier waren sowohl die Lamelle als auch der Beton des Trägers
mit einer lückenlosen grauen Klebstoffschicht bedeckt, die Trennfläche lag in diesem
Abschnitt also in der Klebstoffschicht.
Auch bei Versuch PS2 hatte sich das Ablösen so schnell ereignet, dass keine Aussage
über den Ursprung dieses Vorgangs möglich war.
Bild 19: Versuch PS2 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers
54

Lststufe
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
2Q wm εc (DMS1) εl (DMS2) εl (DMS3) Bemerkung
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]
0.0
0.0
14.7
14.6
27.8
27.8
39.2
36.8
50.9
48.6
78.1
74.4
89.2
86.0
99.6
93.6
108.7
105.0
0.00
0.00
0.30
0.33
0.84
0.84
2.21
2.21
4.04
4.06
8.03
8.03
9.63
9.61
12.00
11.93
14.64
14.63
0
0
-0.06
-0.06
-0.14
-0.14
-0.34
-0.34
-0.54
-0.53
-0.83
-0.82
-0.96
-0.95
-1.15
-1.14
-1.33
-1.32
0
0
0.06
0.05
0.17
0.17
0.94
0.94
1.71
1.69
2.91
2.89
3.44
3.42
4.60
4.55
5.62
5.58
0
0
0.06
0.06
0.20
0.21
1.00
1.00
1.70
1.70
2.99
2.97
3.56
3.54
4.74
4.68
5.79
5.74
Nullmessungen
ungerissen
(Zustand I)
Erstriss bei
2Q = ca. 28 kN
Zustand II
Zustand II
Zustand II
Übergang
Zustand II - III
Zustand III
Zustand III
Zustand III
127.1 20.07 -1.63 7.28 7.49 Höchstlast
Tabelle 18: Versuch PS2 – Laststufen
125
100
75
50
25
0
2Q [kN]
PS2
PS1
nach Erreichen des Lamellenabschälens:
Versuchsabbruch
nach Erreichen des Lamellenabschälens:
Kraftabfall und weiterer Verlauf
0 10 20 30 40 50 60 70 80
wm [mm]
Bild 20: Versuche PS1...PS4 – Vergleich der Kraft-Durchbiegungskurven
PS4
PS3
55

Bauteilversuche
Versuch PS3
PS3 war der Referenzversuch am unverstärkten Träger. Mit den hierbei gewonnenen
Resultaten sollte die Wirsamkeit der Verstärkungen beurteilt werden können, die bei
den übrigen Versuchen appliziert waren. In Tabelle 19 sind die Laststufen dieses Versuchs
gegeben.
Bei 2Q = 26 kN wurden gleich zwei „Erstrisse“ entdeckt. Das Stahlfliessen begann
bei 2Q = ca. 55 kN. Nach Erreichen der Kraft 2Q = 66 kN und der zugehörigen Mittendurchbiegung
von wm = 56 mm, fing die Kraft langsam an abzufallen.
Die Rissbildung begann in der Trägermitte, mit fortschreitender Verformung entstanden
dann immer näher bei den Auflagern liegende Risse. Am Schluss präsentierte
sich ein ausgeglichenes Bild von 10 meist vertikalen, sich z.T. gegen die Druckzone
verästelnden Rissen, die in der bügelfreien Trägermitte einen Abstand von ca. 171 mm
hatten (Bild 21).
Der Versagensvorgang war ein duktiler Prozess nach dem Modus „Betonbruch bei
Stahlfliessen“.
Laststufe
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2Q wm εc, sup εc, inf Bemerkung
[kN] [mm] [‰] [‰]
0.0
0.0
14.6
14.5
27.3
23.4
33.9
30.9
39.5
36.5
48.2
44.1
54.9
52.9
58.6
56.3
64.5
62.8
0.00
0.00
0.20
0.20
1.16
1.08
2.85
2.67
4.14
3.99
5.76
5.50
14.87
14.75
24.59
24.65
49.43
49.76
0.00 0.00 Nullmessungen
-0.05 0.07
-0.18 0.30
ungerissen
(Zustand I)
Erstriss bei 2Q = ca. 26 kN
Zustand II
-0.42 1.50 Zustand II
-0.54 2.13 Zustand II
-0.67 2.80 Zustand II
-1.61 13.88 Zustand III
-2.04 18.37 Zustand III
-3.79 24.01 Zustand III
66.19 56.26 - - Höchstlast
58.0
57.1
65.92
66.03
Tabelle 19: Versuch PS3 - Laststufen
56
- - Zustand III

Bild 21: Versuch PS3 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
Versuch PS4
Im Versuch PS4 wurde ein Träger geprüft, der mit zwei thermoplastischen Lamellen der
Generation 2 verstärkt war. Bei Versuch PS1 hatte sich herausgestellt, dass der Verbund
der thermoplastischen Lamelle der Generation 1 zum Klebstoff Sikadur-30 ungenügend
war. Aus diesem Grund wurde die Generation 2 entwickelt (Kapitel 2.2.4), welche mittels
der modifizierten Oberfläche („Käsestruktur“) einen besseren Verbund ermöglichen
sollte. In Tabelle 20 sind die Laststufen für die Durchführung der manuellen Messungen
gegeben.
Ein Kraftabfall bei 2Q = 25 kN deutete die Entstehung des ersten Risses an, dieser
konnte aber visuell nicht gefunden werden. Das Fliessen der Bewehrung folgte bei
2Q = ca. 75 kN und das spröde Versagen durch Lamellenabscheren bei 2Q = 110 kN.
Die Rissentwicklung und das Rissbild waren vergleichbar mit den Versuchen PS1
und PS2. Nach dem Versagen des Trägers wurden 15 Risse gezählt, die in Trägermitte
liegenden hatten einen mittleren Abstand von ca. 89 mm (Bild 21).
Die im Versuch PS4 gemessenen Kraft- und Verformungswerte waren fast identisch
mit denjenigen aus Versuch PS1, und das Versagen erfolgte ebenfalls durch Abschälen
der Lamellen. Trotzdem erwies sich die Verbesserung der thermoplastischen Lamelle
von der Generation 1 zur Generation 2 als Erfolg: die Versagensebene lag nicht mehr in
der Grenzschicht Klebstoff-Lamelle, sondern zum grössten Teil im Beton, wie bei Versuch
PS2 (Bild 18).
57

Bauteilversuche
Bild 22: Versuch PS4 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers
Laststufe
0
1
2
3
4
5
6
7
2Q wm εc (DMS1) εl (DMS2) εl (DMS3) Bemerkung
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]
0.0
0.0
14.7
14.7
29.7
30.0
45.6
45.1
73.1
73.1
80.2
78.7
90.1
89.6
99.9
99.7
0.00
0.00
0.26
0.29
0.61
0.69
3.32
3.49
8.01
8.12
8.24
9.28
12.61
12.75
16.12
16.67
0
0
-0.05
-0.06
-0.12
-0.13
-0.45
-0.46
-0.76
-0.77
-0.85
-0.86
-1.09
-1.10
-1.31
-1.34
0
0
0.07
0.07
0.23
0.26
1.68
1.72
3.10
3.15
3.54
3.60
5.10
5.16
6.50
6.64
0
0
0.05
0.05
0.13
0.14
1.15
1.20
2.64
2.72
3.10
3.20
4.78
4.85
6.20
6.35
Nullmessungen
ungerissen
(Zustand I)
Erstriss bei
2Q = ca. 25 kN
(Zustand II)
Zustand II
Zustand II
Zustand III
Zustand III
Zustand III
109.7 20.9 -1.52 7.72 7.45 Höchstlast
Tabelle 20: Versuch PS4 – Laststufen
58

Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
Zur Erfassung des plötzlichen Lamellenabschälens wurde bei Versuch PS4 die „Silverpaintmethode“
angewendet. In Bild 23 ist das Resultat dieser Messung dargestellt:
Der Streifen S5 versagte vor dem Auslösen der Messung und lag auch ausserhalb des
10s-Zeitfensters. Vermutlich hat ein Biegeriss zu diesem Unterbruch geführt. Danach
folgten die Streifen S8, S7 und S6. Das Lamellenablösen kam also offenbar von der
„rechten“ Verankarungszone. Der Grund für die „falsche“ Reihenfolge der Streifen S3
und S4 ist unklar. Das Abscheren kam vor Erreichen der Streifen S1 und S2 zum Stillstand,
deshalb blieben diese Leiter bis am Schluss ununterbrochen.
U
Versagen
S8
6608.2 6608.4
Versagen S7
Versagen S6
Versagen
S3
6999.8 7001.2
t [ms]
K1: S1+S2
K2: S3+S4
K3: S5+S6
K4: S7+S8
S1 S2
4. S3 5. S4 S5
3. S6
(bei 7001.15 ms) (bei 7054.85 ms) (bei 7000.01 ms)
Bild 23: Versuch PS4 – Lamellenablösen gemäss „Silverpaintmethode“
2. S7
(bei 6999.80 ms)
Versagen
S4
7054.8 7055.0
1. S8
(bei 6608.25 ms)
59

Bauteilversuche
PS1
PS2
PS3
PS4
Bild 24: Versuche PS1...PS4 – Kraft-Durchbiegungs- und Kraft-Dehnungs-Diagramme
60
120
80
40
0
120
80
40
0
120
80
40
0
120
80
40
0
2Q [kN]
4
3
2
1
7
6
5
8
110 kN
nach Erreichen des Lamellenabschälens:
Kraftabfall und weiterer Verlauf
wm wQ,l wQ,r 0
2Q [kN]
w [mm]
80
2
1
3
4
5
8
7
6
127 kN
nach Erreichen des Lamellenabschälens:
Versuchsabbruch
wm wQ,l wQ,r 0
2Q [kN]
w [mm]
80
5 6 7
4
3
2
1
wm wQ,l wQ,r 0
2Q [kN]
w [mm]
80
2
1
3
4
6
5
7
110 kN
nach Erreichen des Lamellenabschälens:
Kraftabfall und weiterer Verlauf
8
wm wQ,l wQ,r 0 w [mm]
80
120
80
40
0
120
80
40
0
120
80
40
0
120
80
40
0
2Q [kN]
8.2 ‰
ε c (DMS 1)
ε l (DMS 3)
ε l (DMS 2)
-2.0
2Q [kN]
ε [‰] 10.0
7.4 ‰
ε c (DMS 1)
ε l (DMS 3)
ε l (DMS 2)
-2.0
2Q [kN]
ε [‰] 10.0
εc sup
εc inf
-2.0
2Q [kN]
ε [‰] 10.0
7.6 ‰
ε c (DMS 1)
ε l (DMS 2)
ε l (DMS 3)
-2.0 ε [‰] 10.0

PS1
PS2
PS3
PS4
0.0
7.0
0.0
7.0
0.0
7.0
0.0
7.0
-100
100
0.0
7.0
0.0
7.0
ε l [‰]
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
-800
εl [‰]
x [mm]
800
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
-800 800
x [mm]
z [mm]
1) Dehnungen εl(D4)...εl(D12)
2) Dehnungen εl(D19)...εl(D27)
3) Dehnungen εc,sup, εs,sup, εs,inf, εc,inf, εl,m (von „oben“ nach „unten“)
4) Dehnungen εc,sup, εs,sup, εs,inf, εc,inf (von „oben“ nach „unten“)
Bild 25: Versuche PS1...PS4 – Dehnungen bei vergleichbaren Laststufen
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche
-100
100
-100
100
z [mm]
Laststufe:
2
3
5
7
-2.0 ε [‰] 7.0
3)
z [mm]
Laststufe:
2
4
5
7
-2.0 ε [‰] 7.0
3)
-4.0 ε [‰] 30.0
εl [‰]
4)
z [mm]
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
-800 x [mm]
800
-100
100
Laststufe:
Laststufe:
2
5
8
2
3
5
7
-2.0 ε [‰] 7.0
3)
61

Bauteilversuche
Folgerungen aus den Versuchen am Träger PS
Die Kurzzeitversuche am Träger PS haben gezeigt, dass mit der thermoplastischen Lamelle
und mit dem Produkt Sika CarboDur S512 eine vergleichbare Verstärkungswirkung
erzielt wird. Gegenüber dem unverstärkten Träger wird eine deutlich höhere
Versagenslast bei allerdings viel geringerer Verformung erreicht (wegen der etwas tieferen
Steifigkeit der thermoplastischen Lamelle liegt die entsprechende Versagenslast
geringfügig unter derjenigen, die mit der Lamelle Sika CarboDur S512 erreicht wird).
Die Festigkeit der CFK-Lamellen wurde bei keinem der Versuche massgebend, sie ist
demzufolge ausreichend hoch.
Die Weiterentwicklung der thermoplastischen Lamelle von der Generation 1 zur
Generation 2 hat dazu geführt, dass die Abscherebene nicht mehr in der Grenzschicht
Lamelle – Klebstoff sondern innerhalb des Betonträgers lag. Damit war das Ziel erreicht,
wonach die Festigkeit der Verbindung Lamelle – Klebstoff höher sein sollte als
die Festigkeit des Betongefüges.
62

Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
3.3 Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
3.3.1 Der Träger LV
Mit den Langzeitversuchen sollte eine möglichst wirklichkeitsnahe Tragwerksbeanspruchung
nachgestellt werden. Wegen der langen Versuchszeit in einem zimmergrossen
Klimaraum und dem Wunsch, zwei Versuche parallel zu betreiben, war die
Prüfkörpergrösse beschränkt.
Am Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK) der ETH Zürich konnten fünf geeignete
Träger gefunden werden. Die Versuchskörper wurden ca. 1986 hergestellt und
hatten daher ein mit reellen Tragwerken vergleichbares Alter, so dass auch ein ähnliches
Kriechverhalten erwartet werden konnte.
Entsprechend dem Einsatzzweck werden die Versuchskörper und die Versuche als
„LV“ („Langzeitversuche“) bezeichnet.
Abmessung und Bewehrung
In Bild 11 sind die Masse und die Bewehrung des Trägers LV und die Orte der Krafteinleitung
gegeben. Die Prüfkörper waren ursprünglich für den Einsatz als Stützen mit
gleicher Biegesteifigkeit um beide Hauptachsen geplant. Aus diesem Grund war der
Querschnitt quadratisch mit einem Bewehrungeisen in jeder Ecke. Für Anschlusszwecke
ragten die Stäbe am „vorderen“ Ende um 300, am „hinteren“ Ende um 100 mm aus dem
Träger heraus. In Abständen von 100 mm wurden Bügel angeordnet, die die Längseisen
umschlossen und von 22 mm Beton überdeckt waren.
Insgesamt wurden vier Versuche durchgeführt: LV1* und LV1 waren mit je einer
thermoplastischen Lamelle der Generation 2 verstärkt, LV2* und LV2 mit je einer Lamelle
Sika CarboDur S512.
Eine Zusammenstellung der Geometrie und der verwendeten Lamellen ist in Tabelle
21 gegeben.
Bez. Prüfkörper Bewehrung Lamellen Herstellung
LV1*
LV2*
LV1
LV2
l b h As ζ(As) As' ζ(As') Bügel Typ Anz. Al 1) ζ(Al)
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm]
2500 160 160 308 125 308 35
2500 160 160 308 125 308 35
1) nominelle Werte
Tabelle 21: Versuche LV – Zusammenstellung
Ø6,
s=100
Ø6,
s=100
Th. L., Gen. 2, Ch. 2 1 60 161
CarboDur S512 1 60 161
Th. L., Gen. 2, Ch. 2 1 60 161
CarboDur S512 1 60 161
ca.
1986
ca.
1986
Versuchszeitraum
07.-
25.02.'00
29.02.'00 -
14.01.'02
...
63

Bauteilversuche
2 ø 14
2 ø 14
Bild 26: Versuche LV - Trägermasse, Bewehrung und Laststellung
Baustoffe
Beton
Über die Beschaffenheit des Betons konnte nur wenig in Erfahrung gebracht werden. Es
handelt sich um einen gewöhnlichen Beton mit einem Grösstkorndurchmesser von
16 mm. Der Zementgehalt betrug 325 kg/m3 , der W/Z-Wert ca. 0.45 und als Zusatzmittel
wurde 1% des Verflüssigers Sikament beigegeben.
Zur Untersuchung der Zugfestigkeit wurden 50 mm-Bohrkerne entnommen und im
einaxialen Zugversuch geprüft. Das Vorgehen ist in Kapitel erläutert, die Resultate sind
in Tabelle 22 enthalten.
Bohrkernzugfestigkeit
fctb
[MPa]
Versuche 2.8
2.8
2.3
2.1
2.9
Mittelwert 2.6
Standardabweichung 0.4
Tabelle 22: Versuche LV - Zugfestigkeit aus Bohrkernzugversuch
64
100
[mm]
Q = 17.6 kN
Bg ø 6, s=100
1000
2180 (Lamellenlänge)
300 1000
2500
Stahlplatte
60×160×15
2 ø 14
Bg ø 6, s =100
2 ø 14
Betonüberdeckung 22
Q
60
50
160
100
Bemerkung:
Bruch im...
...Betongefüge
...Betongefüge
...Betongefüge
...Betongefüge
...Betongefüge
Stahlplatte
100×40×10
CFK - Lamelle
ζ
160
35
90
35

Stahlbewehrung
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
Für die Längsbewehrung wurde ein gerippter Betonstahl vom Typ topar 500 S (SIA-
Register-Nr. 3.1: aus der Walzhitze vergütetes Stabmaterial der Firma Von Moos Stahl
AG) mit nominellem Durchmesser Ø =14 mm verwendet.
Nach Abschluss der Versuche LV1* und LV2* wurden zwei Stäbe freigespitzt und
Zugversuche durchgeführt. Die Prüfungen wurden entsprechend den Ausführungen in
Kapitel 3.2.1 durchgeführt. Die Spannungs-Dehnungsdiagramme sind in Bild 27 gegeben,
die mechanischen Kennwerte können Tabelle 23 entnommen werden; alle Werte
beziehen sich auf den nominellen Durchmesser.
Die Bügel bestanden aus geripptem Baustahl mit Ø = 6 mm; dieser wurde nicht weiter
untersucht.
600
400
200
0
σ [MPa]
0 50 100 150 200 250
ε [‰]
Bild 27: Versuche LV – Spannungs-Dehnungsdiagramme der Längsbewehrung
Nennquerschnitt
As,nom
Versuche 153.9
153.9
Querschnitt aus
Wägemessung
As,f(M,l,ρ)
Fliessgrenze
fy
Zugfestigkeit
[mm 2 ] [mm 2 ] [MPa] [MPa]
149.6
150.8
497
517
ftk
605
624
Mittelwert 153.9 150.2 507 614.5
Tabelle 23: Versuche LV – Mechanische Kennwerte der Biegebewehrung (Festigkeitswerte beziehen
sich auf den Nennquerschnitt)
CFK-Lamellen
Die für die Verstärkung der Langzeitversuchsträger eingesetzten Lamellen sind in Tabelle
21 zusammengestellt. Deren Materialeigenschaften sind in den Kapiteln 2.1.1 und
2.2.4 erläutert.
65

Bauteilversuche
Klebstoff
Für die Applikation der Lamellen wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet. Die Eigenschaften
dieses Klebstoffes sind in Kapitel 2.1.1 zusammengestellt.
3.3.2 Versuchsdurchführung
Versuchsanlage
Für die Durchführung der Versuche in der Klimakammer wurde ein dafür geeigneter
Versuchsstand entworfen und gebaut. Von dieser Anlage wurde verlangt, dass mit Hilfe
von Gewichten eine hohe Prüfkörperbeanspruchung erreicht wird und dass trotz knapper
Platzverhältnisse zwei Träger gleichzeitig geprüft werden können.
In Bild 28 ist der Versuchsstand im Klimaraum abgebildet. Für die Erläuterung des
Lagerungs- und Belastungskonzepts ist in Bild 29 der Versuchsstand mit nur einem
Prüfkörper gezeigt. Auf dem grossen Betonwürfel in der Mitte steht zur Erhöhung ein
kleiner Würfel, darauf wiederum liegt eine Stahlschaukel für die Lagerung des Trägers.
Mit hängenden Betonwürfeln wurde die (negative) Biegebeanspruchung realisiert: die
Seilumlenkung bewirkte einen Flaschenzugeffekt der dazu führte, dass an den Trägerenden
das doppelte Würfelgewicht lastete. Die Seile führten zu einem Stahlträger am
Boden, der den Kraftfluss innerhalb des Systems wieder schloss.
Für eine bessere Verteilung der Flächenpressung wurde der als Auflager dienende
Betonwürfel auf Schaltafeln aus Holz abgestellt.
Die Klimakammer war ein isolierter Raum mit ca. 2.5·6 m 2 Grundrissfläche. Ein stufenlos
einstellbarer 6 kW-Heizlüfter erzeugte die im Raum gewünschte Temperatur. Für
die Regelung der Luftfeuchtigkeit wurde ein Zerstäuber mit fest angeschlossener Wasserleitung
eingesetzt.
Niveau der Trägerbeanspruchung
Bei der Bemessung von Klebebewehrungen wird unter anderem verlangt, dass die
Spannung in der inneren Bewehrung des verstärkten Bauteils im Gebrauchszustand unter
keinen Umständen die Fliessgrenze erreicht (Deuring [4]). Basierend auf dieser
Forderung wurde die Beanspruchung des Trägers LV festgelegt: die Spannung in der
inneren Bewehrung sollte sich im Bereich der Fliessgrenze befinden, so dass sich der
Träger im höchstzulässigen Gebrauchszustand befindet. Dies bedeutet auch, dass bei
einem Ausfall der Lamelle ein Versagen des Trägers zu erwarten ist.
Orientierung
Die zwei gleichzeitig geprüften Versuchsträger waren beide parallel zur langen Wand
des Klimaraums gelagert. Die Orientierungsbezeichnungen folgten aus der Betrachtung
von der Tür in der „vorderen“ kurzen Wand des Klimaraums. Es gab also eine Krafteinleitung
„vorne“, eine „hinten“. Die sich gegenüberliegenden Prüfkörperlängsseiten
lagen „innen“, die anderen „aussen“.
Die Prüfkörperachse „vorne“ – „hinten“ lief von NNW nach SSO.
66

Bild 28: Versuche LV – Versuchsstand im Klimaraum
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
Lagerung und Krafteinleitungen
Für die Lagerung in Prüfkörpermitte wurde eine aus einer Platte mit drei aufgeschweissten
Halbzylindern bestehenden Stahlschaukel verwendet (Bild 29). Jeder der
Stahlhalbzylinder lag in der Dreiecksnut einer Stahlplatte, die über ein Mörtelbett den
Kontakt zum Prüfkörper herstellte. Zur Vermeidung von Zwängungen war das „vordere“
dieser Lager zusätzlich mit einer Teflongleitschicht versehen. Der Abstand der
Auflagerpunkte der Stahlschaukel war fest und betrug 300 mm.
Die Seilumlenkungen dienten der Krafteinleitung an den Trägerenden. Damit dort
keine Torsion eingeleitet wurde, ruhte dieser Apparat auf einem schmalen Stahlstreifen
(Last-einleitplatte, Bild 30), der in Trägerlängsrichtung lag und dadurch einen Schaukeleffekt
in Trägerquerrichtung bewirkte.
Zur Stabilisierung des ganzen Systems wurde der „hintere“ der beiden grossen Betonwürfel
mit etwas Zusatzgewicht belegt, so dass er auf Kanthölzern am Boden stand
und nur der vordere Würfel frei am Seil hing.
67

Bauteilversuche
Bild 29: Versuche LV – Lagerungs- und Belastungskonzept am halben Versuchsstand
Messungen
Für die Erfassung der Verformungsvorgänge wurde ein umfangreiches Messprogramm
konzipiert. Dieses ermöglichte einerseits die Überwachung der globalen Prüfkörperdeformation,
anderseits aber auch die Registrierung von lokalen Verformungen (z.B. der
Schlupf der Lamelle am Trägerende).
Wegen der langen Laufzeit und den hohen klimatischen Anforderungen wurde darauf
verzichtet, fest verdrahtete Messinstrumente anzubringen. Manuelle Messungen versprachen
eine höhere Zuverlässigkeit bei vertretbarem Aufwand, da die Versuchsart
ohnehin eine regelmässige visuelle Kontrolle erforderte.
Für die Messung der Biegeverformung wurden an den herausragenden Stäben der
Längsbewehrung Messmarken angebracht (Bild 30), von welchen aus die Distanz zu
Messmarken am Boden gemessen werden konnte („hinten“: Distanz zu Messmarken auf
den stehenden Betonwürfeln). „Vorne“ war zudem eine Verlängerung dieser Stäbe in
Trägerlängsrichtung nötig, weil im Trägerbereich selbst die grossen Betonwürfel hingen
und so keine vertikale Linie zum Boden „frei“ war.
Für die Messung selbst wurden Durchbiegungsmesser eingesetzt: Mit einer mechanischen
1 /100 mm-Messuhr am einen und einer Kugelspitze am anderen Ende eines Invargestänges
konnte in die Messmarken hineingegriffen und deren Abstand bestimmt
werden.
68

Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
Die Dehnungen in der Lamelle, auf der Betonoberfläche um die Lamelle und im
Querschnitt in Trägermitte wurden mit dem Deformeterverfahren gemessen (Messstrecken
D4...D30). Das Vorgehen wurde bereits in Kapitel 3.2.2 erläutert.
Der Schlupf am Lamellenende (Verschiebung des Lamellenendes gegenüber dem
umliegenden Beton) wurde mit einem eigens dafür zusammengesetzten Schlupfmesser
erfasst. Das Gerät bestand aus einem Querbalken mit einer elektronischen 1 /1000 mm-
Messuhr. Damit konnte die relative Verschiebung dreier in einer Linie liegenden Aluminiumwinkel
gemessen werden, von welchen die äusseren auf die Betonoberfläche und
der mittlere auf die Lamelle geklebt waren (Bild 30).
Vor und nach jeder Messserie (Durchbiegungs-, Dehnungs- und Schlupfmessung)
wurde das Messgerät an einer gleichbleibenden Referenzstrecke (Komperator: z.B. Invarstab
bei Deformeter) geeicht. Damit konnten im Verlauf der Messung auftretende,
systematische Messgerätveränderungen erfasst und später korrigiert werden.
M
W 1
W 2
Lasteinleitplatte
W 1 (W )
2
340
vorne
V
[mm]
Q Q
s lV
innen
aussen
D13
D22
D14
D23
D15
D24
D31 (D33)
D32 (D34)
D16
D25
Bild 30: Versuche LV – Messungen am Träger
D4
D5
Legende
Deformetermessstrecke (200 mm)
Deformetermessmarke Ansicht
Deformeter (manuelle Messung)
1)
Schlupfmesser
(manuelle Messung)
Durchbiegungsmesser
(manuelle Messung)
D6
D7
D8
D17
D26
D9
D18
D27
27.5
52.5
52.5
27.5
35
90
35
Lagerplatte
D10
D19
D28
D11
D20
D29
innen vorne aussen aussen
D12
D21
D30
27.5
hinten
H
s lH
52.5
52.5
27.5
W 1 W 2 W 3
innen
hinten
1)
Schematischer Aufbau des Schlupfmessers
Draufsicht
3
2
4
1 5
Ansicht
3
3
2
4
1
5
1 0.001 mm-Messuhr
2 Messnadel
3 Referenznadeln
4 Querbalken
5 Distanzring
W 3
W 4
N
90
W 3 (W )
4
40
35
35
69

Bauteilversuche
Für die Klimaüberwachung wurde ein kombinierter Temperatur- und Feuchtigkeitsfühler
eingesetzt, der zwischen den Versuchskörpern gelagert war. Die Ablesung dieser
Messwerte erfolgte ausserhalb der Klimakammer.
Neben den Versuchsträgern wurden auch vier kurze lose Lamellenstücke im Klimaraum
gelagert: Handstücke THELA1...3 waren Proben der thermoplastischen Lamelle,
Handstück CaDu war eine Probe der Lamelle Sika CarboDur S512. Da diese dem gleichen
Klima ausgesetzt waren wie die an den Trägern angebrachten Lamellen, konnten
sie für die Abschätzung der Wasseraufnahme verwendet werden. Zu diesem Zweck
wurden die Handstücke regelmässig mit einer Laborwaage mit Auflösungsvermögen
0.001 g gewogen. Der zu Versuchsbeginn herrschende Wassergehalt wurde mittels
coulometrischer Wassergehaltsbestimmung nach Karl Fischer gemessen. Er betrug bei
der thermoplastischen Lamelle 0.09% und bei der Lamelle Sika CarboDur S512 0.04%
(Prozentangaben bezogen auf die Lamellenmasse).
Versuchsvorbereitung und -ablauf
Versuchsvorbereitung
Jeder Versuchskörper war mit einer Lamelle verstärkt. Das Vorgehen beim Applizieren
war gleich wie bei den Trägern der Serie PS und ist in Kapitel 3.2.2 erläutert.
Nach dem Kleben der Lamelle konnten die Messmarken angebracht werden. Wie in
Bild 30 gezeigt, wurden die Marken für die Durchbiegungsmessung an den aus dem
Träger herausragenden Bewehrungstäben bzw. an der daran angeschweissten Stahlplatte
(Messplatte, Bild 29) befestigt. Die Aluminumbolzen und -winkel für die lokale Verformungsmessung
wurden mit Schnellklebstoff auf die Betonoberfläche und die Lamelle
geklebt.
Nachdem der Prüfkörper mit den Messvorrichtungen versehen war, wurde er in den
Versuchsstand eingebaut.
Versuchsablauf
Vor dem Aufbringen der Belastung wurden mit allen Messgeräten zwei Nullmessungen
durchgeführt.
Für das kontrollierte Aufbringen der Belastung wurde der vordere Würfel mit einem
Hebegerät angehoben, an das über den Träger laufende Stahlseil gehängt und dann
langsam abgelassen. Mit etwas Bleiballast wurde dann das Würfelgewicht leicht korrigiert.
Durch verstellen der Spannschlösser konnte der Träger am Schluss in die horizontale
Lage gebracht werden.
Die ersten Untersuchungen zum Langzeitverhalten wurden anhand der Versuche
LV1* und LV2* durchgeführt. Einige Tage nach der Inbetriebnahme wurden auch der
Heizlüfter und der Befeuchter eingestellt, so dass ungefähr am zehnten Versuchstag das
angestrebte Klima von ca. 50°C und 80% relative Luftfeuchtigkeit erreicht war. Während
einiger Tage blieben diese Werte etwa konstant. Am folgenden Wochenende kam
es dann zu einer Klimastörung: infolge eines Defekts am Heizlüfterthermostat kam es
70

Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
zu einem ungedrosselten Temperaturanstieg in der Klimakammer. Als der Vorfall entdeckt
wurde, betrug die Raumtemperatur 65°C und die relative Luftfeuchtigkeit 70%.
Der Träger LV2* hatte versagt, daher wurde der Gesamtversuch wieder abgebrochen.
Nach den Erfahrungen mit LV1* und LV2* wurde beschlossen, die Nachfolgeversuche
LV1 und LV2 bei moderatem Klima anzusetzen und dieses stufenweise zu verändern.
Jede Klimastufe wurde während mehreren Wochen beibehalten, damit die
Entwicklung der Versuchskörperverformung erfasst werden konnte. Durch Veränderung
(in der Regel Erhöhung) der Temperatur oder der Feuchtigkeit wurde dann ein neues
Klima eingestellt.
Insbesondere bei hoher Temperatur und Feuchtigkeit kam es oft zu Defekten am
Heizlüfter oder am Befeuchter, die zu Klimastörungen führten. Die Probleme wurden
aber meist früh erkannt und behoben, so dass der Versuch erfolgreich durchgeführt
werden konnte.
3.3.3 Versuchsresultate
Auswertung und Darstellung der Messdaten
Die Biegeverformung wurde mit Messmarken erfasst, die ausserhalb des eigentlichen
Trägers lagen (Bild 30). Die Durchbiegung der Trägermitte gegenüber den Orten der
Lasteinleitung wurde mit Hilfe eines einfachen Modells abgeschätzt. Hierbei wurde angenommen,
dass der beanspruchte Träger die Form einer kubischen Parabel annimmt;
die Messmarken liegen auf tangentialen Verlängerungen der Trägerenden. Mit diesem
Modell konnten die eigentliche Trägerverformung und die Verkippung auf der Stahlschaukel
(Starrkörperrotation) separiert werden. In Bild 31 ist das Modell und die daraus
folgenden Formeln dargestellt.
Die mit dem Deformeter erfassten Dehnungen wurden entsprechend den Ausführungen
in Kapitel 3.2.3 ausgewertet.
Die Resultate der Schlupfmessung wurden ähnlich behandelt wie die der Deformetermessung:
die systematischen Fehler infolge z.B. temperaturbedingter Messgerätveränderung
wurden korrigiert und dann die Werte der Nullmessung subtrahiert. Damit war
der Absolutbetrag des Schlupfwegs bestimmt.
Tabelle 24 enthält eine Zusammenstellung über den Weg von der Verformungsmessung
zum Messresultat.
Die bei den Versuchen LV1 und LV2 mittels Wägung der Handstücke ermittelte
Massenänderung wurde als Wasseraufnahme bzw. -abgabe interpretiert. Der zum jeweiligen
Messzeitpunkt herrschende totale Wassergehalt wurde unter Berücksichtigung
des zu Versuchsbeginn ermittelten Wertes bestimmt. Aus den Resultaten der Handstücke
THELA1...3 wurde der Mittelwert gebildet.
71

Bauteilversuche
M
M
Messinstrument/
physische Messgrösse
Durchbiegungsmesser
Schlupfmesser
Deformetermessstrecken
W1, W2
W3, W4
Sl
D4...D12
D22...D34
D13...D21
direkter Messwert abgeleiteter Messwert
Messwert Auswertung Messwert Auswertung
w1, w2
w3, w4
slV
slH
εc (D4)...εc (D12)
εc (D22)...εc (D34)
εl (D13)...εl (D21)
Korrektur systematischer
Messfehler, Differenzbildung
zur Nullmessung
Korrektur systematischer
Messfehler,Differenzbildung
zur Nullmessung
Korrektur systematischer
Messfehler,Differenzbildung
zur Nullmessung, Bezug zur
Basislänge
Tabelle 24: Versuche LV – Vom Messinstrument zum Messwert
72
V
Q
g: V η = m ξ+c
V
p: η = aξ
3
Ort der Krafteinleitung: V(x V ,y V bzw. ξ V ,η V) und H(x H ,y H bzw. ξ H ,η H)
Ort der Wegmessung: M(x M ,y M bzw. ξ M ,η M) und N(x N ,y N bzw. ξ N ,η N)
Koordinatentransformation für kleineφ :
ξ=x�y⋅φ x =ξ�η⋅φ
η=�x⋅φ � y y =ξ⋅φ�η
Aus Geometrie folgt: φ= 3⋅( y N⋅ξ N)�l⋅( y N�y M)
6⋅ξ M⋅ξ N�ξ M⋅l�ξ N⋅l
w m = y M�ξ M⋅φ
1�φ 2 ⋅ ξ V
3⋅ξ M�2 ξ V
Bild 31: Versuche LV – Modell zur Bestimmung der Mittendurchbiegung
η
w m
y
φ
w m
l
wm
εc, sup
εs, sup
εs, inf
εl,m
χm
H
aus w1...w2 durch Trägermodellierung
als kubische Parabel
(Bild 31)
Mittelwert {εc (D8), εc (D26)}
Mittelwert {εc (D31)...εc (D33)}
Mittelwert {εc (D32)...εc (D34)}
εl,m = εl (D17)
Steig. der mittels lin. Regr. aus
{εc (D8), εl (D17), εc (D26),
εc (D31)...εc (D33)}
bestimmten Dehnungsebene.
H
Q
N
N
g H
ξ
x

Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
Versuche LV1* und LV2*
LV1* und LV2* waren die ersten, infolge einer Störung am Thermostat früh abgebrochenen
Langzeitversuche. LV1* war verstärkt mit einer thermoplastischen Lamelle der
Generation 2, LV2* mit einer Lamelle Sika CarboDur S512.
Der Klimaverlauf und der Gang der Verformungen ist in Bild 32 dargestellt.
Nach Aufbringen der Beanspruchung hatten sich die initialen Verformungen eingestellt.
Die Risse bildeten sich entsprechend der Bügelanordnung in Abständen von
100 mm und ergaben dadurch ein sehr regelmässiges Gesamtbild. Während den ersten
drei Tagen liefen die Versuche ohne besondere Klimaregelung, die Temperatur- und
Feuchtigkeitsverhältnisse entsprachen dem umgebenden „Kellerklima“. Die Zunahme
der initialen Verformungen schien schon nach dem ersten Tag abgeklungen.
Am dritten Tag wurde der Heizlüfter in Betrieb genommen. Die Temperatur stieg
schnell auf 40°C, dann langsam weiter, bis nach insgesamt sieben Tagen etwa 47°C erreicht
waren.
Der Temperaturanstieg führte zu einer ähnlichen Zunahme der Verformungen: auf
eine sprungartige Erhöhung folgte eine mässige aber anhaltende Verformungsänderung.
Nach einem Abstellen (Tag 4) und Wiederanstellen (Tag 7) des Heizgerätes folgte
ein Sprung im Durchbiegungs- und Dehnungsverlauf.
Am siebten Versuchstag wurde der Befeuchter angestellt. Die relative Feuchtigkeit
von ca. 70% war bald erreicht, die Temperatur schwankte weiterhin um die 48°C.
Im Verformungsverlauf war kaum eine Reaktion auf die Feuchtigkeit zu erkennen:
die langsame Zunahme wurde fortgesetzt, ohne erkennbaren Knick oder Sprung.
Am 21.2. wurde im Klimaraum eine Temperatur von 65°C und eine relative Luftfeuchtigkeit
von 70% gemessen. Wegen der feuchten Umgebung hatte im Verlauf des
vorangegangenen Wochenendes der Thermostat des Heizlüfters versagt, so dass das
Gerät ungebremst zu heizen begann.
Die Lamelle Sika CarboDur S512 des Versuchsträgers LV2* war abgeschält. Der
Klebstoff Sikadur-30 hatte offenbar seine Schubfestigkeit weitgehend verloren, denn die
Versagensebene lag in der Klebstoffschicht. Sowohl an der Lamelle als auch am Beton
war eine schuppenartig gemusterte Klebstoffschicht zurückgeblieben.
Versuch LV1* hatte die hohe Temperatur überstanden. Der Grund dafür lag vermutlich
in der geringeren Schubbeanspruchung in der Klebstoffschicht infolge tieferer Steifigkeit
der thermoplastischen Lamelle. Der Schlupf am Lamellenende war sprunghaft
angestiegen, während sich die Biegeverformung erstaunlich wenig verändert hatte.
Der Versuch LV1* wurde noch während einigen Tagen weiterbetrieben und dann
zugunsten einer neuen Versuchsserie abgebrochen.
73

Bauteilversuche
Bild 32: Versuche LV* - Klimaverlauf und Gang der Verformungen
74
15
14
13
12
11
10
4.5
4.0
3.5
3.0
0.3
0.2
0.1
0.0
65
55
45
35
25
15
w m [mm]
ε lm [‰]
s l [mm]
T [°C]
LV1* V
LV1* H
LV2* V
LV2* H
Temperatur (T)
LV2*
LV2*
7.2. 21.2.
Feuchtigkeit (H)
LV1*
LV1*
25.2.
H [%]
0 7 14
21
t [Tage]
100
80
60
40
20

Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
Versuche LV1 und LV2
Aus den Versuchen LV1 und LV2 konnten aufschlussreiche Erkenntnisse über das
Langzeitverhalten von CFK-verstärkten Betonträgern bei erhöhten klimatischen Anforderungen
gewonnen werden. LV1 war mit einer thermoplastischen Lamelle der Generation
2 verstärkt, LV2 mit einer Lamelle Sika CarboDur S512.
In Tabelle 25 ist ein Überblick über den Versuchsverlauf gegeben. Die Diagramme in
den Bildern 33 und 34 enthalten eine Zusammenstellung über die Verformungs- und
Klimamessungen. In Tabelle 26 sind die Zahlenwerte einiger charakteristischer Verformungsgrössen
zu ausgewählten Zeitpunkten gegeben.
Die initiale Verformung (z.B. wm, Bild 33) war – entsprechend der unterschiedlichen
Steifigkeit der CFK-Lamellen – bei LV1 leicht grösser als bei LV2. Wie bei den Versuchen
LV1* und LV2* lagen die Risse bei den Bügeln und hatten daher Abstände von
100 mm.
Die für die Klimastufe 1 massgebende Solltemperatur von 40°C wurde nach wenigen
Tagen erreicht. Bezüglich der Feuchtigkeit gab es keine bestimmte Anforderungen und
daher auch keine Regelung.
Die Mittendurchbiegung nahm sowohl bei LV1 als auch bei LV2 anfänglich deutlich
zu, während sich die Lamellendehnung kaum veränderte. Die Verformungszunahme
hatte dementsprechend ihren Ursprung vermutlich im Kriechen der Betondruckzone
oder im Kriechen des Verbunds zwischen Beton und Bewehrung.
Nach 48 Tagen (am 17.04.2000) wurde Klimastufe 2 gestartet. Die Temperatur war
die gleiche wie bei Stufe 1 (40°C), durch Inbetriebnahme eines Befeuchters wurde aber
die relative Luftfeuchtigkeit auf 80% erhöht.
Der Verformungsverlauf liess kaum erkennen, dass ein Klimawechsel stattgefunden
hatte: die Deformationen in Klimastufe 2 bildeten eine nahtlose Fortsetzung von den in
Stufe 1 gemessenen Werten.
Am 05.07.2000 erfolgte der Wechsel von Klimastufe 2 auf Klimastufe 3. Bei der nun
herrschenden Temperatur von 45°C musste aufgrund der vorangegangenen Materialuntersuchungen
eine Steifigkeitsabnahme des Klebstoffs Sikadur-30 und der thermoplastischen
Matrix angenommen werden (Kapitel 2.2.4).
Die Mittendurchbiegung wm und die Dehnung in Lamellenmitte εlm zeigten zu Beginn
der Klimastufe 3 eine - gegenüber vorher – leichte Zunahme, die aber bald wieder abklang.
Ein steiler Deformationsanstieg war beim Schlupf sl am Lamellenende zu erkennen.
Während etwa sechs Wochen änderte sich der Betrag aller vier Messwerte um insgesamt
ca. Faktor 2.5, danach folgte auch hier eine Stabilisierung. Der Grund für diesen Verformungssprung
war vermutlich der Abfall des Schubmoduls des Klebstoffs Sikadur-30.
75

Bauteilversuche
Bez.
Klimastufe
Nenntemp.
T
Nennfeucht.
rel. F.
(Beginn/
Ende)
Dauer
∆t
[°C] [%] [Tage]
2/29/2000 - Versuchsbeginn
Ereignisse, Bemerkungen
Stufe 1 40 30 48 - Baldiges Abklingen der Verformungszunahme.
(17.04.'00)
Stufe 2 40 80 79 - Kein Einfluss der Feuchtigkeit auf Verformungen erkennbar.
(05.07.'00)
Stufe 3a 45 80 78
(21.09.'00)
Stufe 3b 45 30...80 46
(06.11.'00)
Stufe 4 50 80 84
(29.01.'01)
Stufe 5 55 80 350
- Einsetzender Steifigkeitsabfall bei Klebstoff und thermoplastischer
Matrix.
- Anfängliche Verformungszunahme klang bald wieder ab.
- Befeuchterdefekt infolge Temperaturerhöhung von 45 auf 50°C;
Temperaturrückstellung auf 45°C; Feuchtigkeitsabfall bis zur Befeuchterwiederinbetriebnahme
am 9.10.'00.
- Kurzfristige Klimastörung (Temperaturanstieg, -wiederabnahme und
Feuchtigkeitsabfall) hat Verformungssprung bewirkt, der aber wieder
abflaute.
- Stetige, wieder abnehmende Verformungszunahme nach Beginn der
Stufe 4.
- Endgültiges Versagen des Luftbefeuchters. Fortan wurde mit passiver
Luftbefeuchtung (Verdunstung aus wassergefüllten Entwicklerschalen)
die gewünschte relative Feuchtigkeit von 80% erreicht.
- Wie bei vorangehenden Temperaturerhöhungen zeigte sich vor allem
beim Schlupf am Lamellenende eine sprunghafte Zunahme folgend
auf die Temperaturerhöhung.
- Drei Schlupfmessungen zeigen bald eine Verformungsstabilisierung,
die vierte beginnt nach kurzer Ruhephase steil anzusteigen und
kündigt so das Versagen von LV2 ca. 8 Wochen im voraus an.
- Versagen von LV2 im Zeitraum 08. ... 15.05.'01.
- Seit Versagen von LV2 wurde Versuch mit LV1 alleine forgesetzt.
(14.01.'02) - Letzte im vorliegenden Bericht dargestellte Messung. Bis dahin gab
es keine Anzeichen, die auf ein bevorstehendes Versagen von LV1
hinwiesen.
- Versuch wurde auch nach dem 14.01.'02 fortgesetzt.
...
Tabelle 25: Versuche LV - Überblick über den Versuchsablauf
76

Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
Am 21.09.2000 sollte die Temperatur wieder um 5°C erhöht werden, um damit das
Klima von Stufe 4 zu erreichen. Der Temperaturanstieg führte aber zum Versagen des
Befeuchters, so dass dieser aus dem Klimaraum entfernt und die Temperatur auf 45°C
zurückgestellt wurde. Diese Klimastufe wurde schliesslich als Stufe 3b bezeichnet. Der
Unterschied zur Stufe 3 (bzw. 3a) lag in der Feuchtigkeit, die bis zur Wiederinbetriebnahme
des Befeuchters (09.10.2000) stetig sank.
Die kurzfristige Temperaturerhöhung zu Beginn von Stufe 3b führte zu deutlich erkennbaren
Verformungsänderungen. Während die Dehnung in Lamellenmitte εlm und
der Schlupf am Lamellenende sl zunahmen, ging die Mittendurchbiegung wm zurück.
Letztgenannte Beobachtung kam wahrscheinlich nicht von einem wirklichen Verformungsrückgang,
sondern von einem hier erkannten systematischen Messfehler: Die
ganze Versuchsanlage war auf Schalungsbrettern und Kanthölzern gelagert. Wegen der
hohen Feuchtigkeit hatte sich im Raum Kondenswasser gebildet, das sich am Boden zu
zusammenhängenden Wasserpfützen zusammenschloss und so zum Quellen der darin
abgestellten Holzteile führte. Da die Messung der Mittendurchbiegung zwischen Boden
und Bauteil erfolgte, waren die Werte immer mit einem entsprechenden Fehler behaftet.
Wegen des Aussetzens des Befeuchters am 21.09.2000 trockneten in der darauf folgenden
Zeit die Pfützen aus und die Quellverformung der Holzteile gingen zurück. Nach
dem Erkennen dieses Messfehlers wurden die Werte der Mittendurchbiegung nicht mehr
für die Interpretation des Verformungsverhaltens beigezogen.
Nach der Wiederinbetriebnahme des Befeuchters kam es wieder zu einer Stabilisierung
der Verformungen.
Nachdem der Befeuchter wieder funktionierte, wurde am 06.11.2000 die Temperatur
um 5°C erhöht und so auf den Sollwert von Stufe 4 gebracht. Nun herrschten 50°C und
eine Luftfeuchtigkeit von ca. 80%.
Gegenüber Stufe 3b war nur eine geringe Änderung der Verformungen erkennbar. Da
die Temperatur von 50°C schon zu Beginn der Stufe 3b kurzfristig herrschte, hatten sich
vermutlich schon damals die zugehörigen Verformungen eingestellt.
Am 29.01.2001 wurde Klimastufe 4 von Stufe 5 abgelöst. Fortan lag die Temperatur
bei 55°C. Der Befeuchter, der nicht für den Betrieb bei dieser Wärme gedacht war,
musste aus dem Klimaraum entfernt werden. Als Ersatz wurden vier Entwicklerschalen
mit einer Grundfläche von je 525·665 mm 2 mit insgesamt 100 l Wasser gefüllt und im
Raum verteilt. Wegen der hohen Temperatur konnte auch auf diese Weise (passive
Verdunstung) die relative Luftfeuchtigkeit bei 80% gehalten werden.
Die Dehnung εlm machte gleich nach der Temperaturerhöhung einen kleinen Sprung,
danach folgte aber sogleich eine Stabilisierung und im weiteren ein Verbleiben auf
konstantem Niveau.
Der Schlupf sl stieg am Anfang von Klimastufe 5 stark an, nach etwa vier Wochen
schien aber auch diese Verformungszunahme weitgehend beendet. Während der Schlupf
der Lamelle von LV1 auch in den nächsten Wochen etwa konstant blieb, begann der am
„hinteren“ Ende von LV2 gemessene Wert slH wieder zu steigen. Der Anstieg wurde in
der folgenden Zeit immer steiler und wies so auf ein baldiges, von dieser Stelle ausgehendes
Versagen hin. Bis am 30.04.2001 war keine sichtbare Schädigung zu erkennen,
am 08.05.2001 war dann ein ca. 180 mm langer Riss im Klebstoff entlang der Lamelle
zu beobachten. Wahrscheinlich war die Lamelle in diesem Bereich bereits weitgehend
77

Bauteilversuche
vom Untergrund losgelöst. Folgender Messwertvergleich (am Träger LV2) stützt diese
Vermutung:
30.04.'01 08.05.'01 Beobachtung
slH : 0.237 mm 0.459 mm Ca. Verdoppelung des Schlupfbetrags innerhalb
von acht Tagen.
εl(D21): 1.20 ‰ 0.66 ‰ Durch den grossen Schlupf slH wird die Lamelle
in diesem Bereich entlastet, die nächstgelegene
Deformetermessstrecke (D21) zeigt eine deutliche
Dehnungsabnahme (vgl. auch Bild 34).
Am 15.05.2001 wurde Träger LV2 schliesslich mit abgeschälter Lamelle vorgefunden.
Auf einer Länge von mehr als 1 m war sie völlig vom Träger losgelöst. Die innere
Längsbewehrung konnte die Biegezugkraft nicht alleine aufnehmen, dadurch kam es
zum Versagen von LV2: der Träger war stark über die Schaukel in dessen Mitte gekrümmt,
so dass der zuvor am Ende hängende Betonwürfel nun am Boden stand.
Die Trennfläche lag vollständig im Klebstoff. Die Beobachtungen entsprachen denjenigen,
die bei Versuchen LV2* gemacht wurden und bestätigten die dort geäusserten
Vermutungen (Kapitel 3.3.3): Wegen der Erweichung des Klebstoffes kam es zum
Schubversagen, beide Trennflächen wiesen eine schuppenartige Oberflächenmusterung
auf (Bild 35). Der Grund für das alleinige Versagen von LV2 lag vermutlich in der höheren
Steifigkeit der Verstärkungslamelle, welche höhere Schubspannungen verursachte
als die weichere thermoplastische Lamelle.
Bemerkenswert bleibt, dass die Schlupfmessung slH das Versagen während ca. 8
Wochen vor dessen Eintreten ankündigte, alle anderen Messgrössen (mit Ausnahme von
εl(D21) unmittelbar vor dem Eintreten des Versagens) aber keine Anzeichen hinsichtlich
dieses Ereignisses erkennen liessen. Diese Beobachtung ist damit zu begründen, dass
sich der Schlupf in der ungerissenen Trägerendzone abspielte und damit keinen Einfluss
hatte auf die Dehnungen und die Krümmung im Trägermittelbereich.
Nach dem 15.05.2001 wurde der Versuch mit Träger LV1 alleine fortgesetzt. Während
etwa 8 Monaten blieben die Verformungen nahezu konstant. Am 14.01.2002, nach
insgesamt 350 Tagen bei 55°C und 80% rel. Feuchtigkeit, wurde schliesslich die letzte
für den vorliegenden Bericht verwendete Messung durchgeführt. Bis zu diesem Zeitpunkt
wurden keine Anzeichen erkannt, die ein bevorstehendes Trägerversagen vermuten
liessen.
Nach dem 14.01.2002 wurde der Versuch bei unveränderten klimatischen Verhältnissen
(55°C, 80% rel. F.) bis auf weiteres fortgesetzt.
78

Datum Laufzeit
t
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
LV1 LV2
wm εlm slV slH χm wm εlm slV slH χm
[Tage] [mm] [‰] [mm] [mm] [m -1 ] [mm] [‰] [mm] [mm] [m -1 ]
29.02.'00 0 12.30 3.42
-0
.002
0.001 0.0313 11.10 2.97 0.000 -0.002 0.0253
Klimastufe,
Bemerkung
Anfang Stufe 1,
initiale Verformg.
17.04.'00 48 14.12 3.69 0.006 0.014 0.0342 12.23 3.15 0.010 0.009 0.0270 Ende Stufe 1
05.07.'00 127 14.61 3.72 0.016 0.027 0.0349 12.68 3.19 0.019 0.021 0.0274 Ende Stufe 2
21.09.'00 205 14.88 3.91 0.052 0.065 0.0368 13.19 3.45 0.051 0.057 0.0301 Ende Stufe 3a
29.01.'01 335 14.93 3.93 0.087 0.098 0.0371 13.24 3.47 0.094 0.096 0.0302 Ende Stufe 4
30.04.'01 426 14.90 3.99 0.119 0.130 0.0374 13.27 3.50 0.146 0.237 0.0305
08.05.'01 434 14.91 3.99 0.118 0.131 0.0375 13.28 3.52 0.149 0.459 0.0306
14.01.'02 685 15.07 4.00 0.136 0.144 0.0381 - - - - -
Tabelle 26: Versuche LV – Verformungswerte zu ausgewählten Zeitpunkten
Stufe 5, vor erkennbaremTrennriss
Stufe 5, vor Versagen
von LV2
Stufe 5, letzte Messung
Der mittels Handstückwägung ermittelte Wassergehalt ist in Tabelle 27 dargestellt.
Ein Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Verformungsverhalten konnte nicht
erkannt werden.
Datum
Thermoplastische
Lamelle
[% der Lamellenmasse]
Wassergehalt
Sika CarboDur
S512
[% der Lamellenmasse]
Klimastufe, Bemerkung
29.02.'00 0.09 0.04 Anfang Stufe 1
17.04.'00 0.07 0.01 Ende Stufe 1
05.07.'00 0.27 0.11 Ende Stufe 2
21.09.'00 0.29 0.12 Ende Stufe 3a
09.10.'00 0.04 0.01 Stufe 3b, vor Wiederinbetriebnahme des Befeuchters
29.01.'01 0.26 0.11 Ende Stufe 4
30.04.'01 0.21 0.08 Stufe 5, vor erkennbarem Trennriss
08.05.'01 0.21 0.08 Stufe 5, vor Versagen von LV2
14.01.'02 0.23 - Stufe 5, letzte Messung
Tabelle 27: Versuche LV – Wassergehalt zu ausgewählten Zeitpunkten
79

Bauteilversuche
Bild 33: Versuche LV – Klimaverlauf und Gang der Verformungen
80
15
14
13
12
11
10
4.5
4.0
3.5
3.0
0.3
0.2
0.1
0.0
65
55
45
35
25
15
w m [mm]
ε lm [‰]
s l [mm]
T [°C]
29.2.00 17.4.
Feuchtigkeit (H)
Temperatur (T)
5.7.
0 8 16 24 32 40 64 72
80 88
t [Wochen]
LV2
LV2
Schlupf bei fortgeschrittenem
Lamellenabschälen: sl = 0.46 mm
21.9. 9.10. 6.11. 29.1.01
8.5.
LV1
LV1
LV1 V
LV1 H
LV2 V
LV2 H
14.1.02
H [%]
100
80
60
40
20

LV1
LV2
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
ε [‰]
ε [‰]
Lamelle 1)
Betonoberfläche Zugseite 2)
-800 800
x [mm]
Lamelle 1)
Betonoberfläche Zugseite 2)
Entlastung durch fortschreitendes
Lamellenabschälen
-800 800
x [mm]
1) Dehnungen εl(D13)...εl(D21)
2) Mittelwert der Dehnungen [εc(D4), εc(D22)]...[εc(D12), εc(D30)]
Bild 34: Versuche LV – Dehnungszustand zu ausgewählten Zeitpunkten
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum
-80
80
z [mm]
Bild 35: Versuch LV2 - Infolge Klebstofferweichung abgescherte Lamelle
-80
80
ε s,inf
ε s,sup
ε l (D17)
ε c,sup
29.2.00
5.7.00
21.9.00
29.1.01
8.5.01
14.1.02
-0.5 4.0
ε [‰]
z [mm]
ε s,inf
ε l (D17)
ε c,sup
ε s,sup
29. 2.00
5. 7.00
21.9.00
29.1.01
8.5.01
-0.5 4.0
ε [‰]
81

Bauteilversuche
Folgerungen aus den Versuchen am Träger LV
Die Langzeitversuche in der Klimakammer haben gezeigt, dass die thermoplastische
Lamelle auch bei hoher Beanspruchung und anspruchsvollen klimatischen Bedingungen
genutzt werden kann. Die gleichen Erkenntnisse gelten aber auch für die Lamelle Sika
CarboDur S512, mit der bisher keine solchen Versuche gemacht worden sind.
Die Versuche haben gezeigt, dass die Systeme auch beständig sein können bei Temperaturen,
die höher liegen als der Beginn des Steifigkeitsabfalls des Klebstoffs Sikadur-30
(s. Bild 9). Trotzdem ist in der Praxis von einer Nutzung in diesem
Temperaturbereich abzuraten, da Abweichungen in der Geometrie und in der Last zu
anderen Verhältnissen führen und die mit den Versuchen am Träger LV gemachten Erfahrungen
nur beschränkt beigezogen werden können. Kommt es aber nur temporär zu
solchen Verhältnissen, darf eine verbleibende „Reserve“ bis zum Versagen vermutet
werden.
Der Einfluss der Feuchtigkeit bleibt weitgehend unklar. Vom thermoplastischen Matrixwerkstoff
PA12 ist bekannt, dass er Feuchtigkeit aufnimmt und dadurch einige negative
Änderungen der mechanischen Eigenschaften erfährt. Aus den
Verformungsmessungen und dem am Schluss eingetretenen Versagensmodus konnten
aber keine entsprechenden Beobachtungen gemacht werden.
Ein Vergleich der realisierten Verformungsmessungen hat gezeigt, welche Grössen
empfindlich bzw. unempfindlich auf Klimaänderungen reagieren. Globale Deformationen,
wie zum Beispiel die Durchbiegung, reagieren träge, so dass der Zeitpunkt des
Einsetzens einer Umgebungsveränderung kaum ermittelt werden kann. Die Dehnungsmesswerte
entsprechen Mittelwerten über die Länge der Deformetermessstrecke von
200 mm. Die in Bild 33 dargestellte Dehnung in Lamellenmitte ist jeweils recht deutlich
angestiegen, wenn die Temperatur erhöht wurde, eine Ankündigung des Versagens
wurde aber auch hier nicht erkannt. Der Schlupf am Lamellenende ist eine sehr lokal
wirkende Verformung, die sehr sensibel auf Temperaturänderungen reagiert hat. Nur
hier konnte eine deutliche Ankündigung des Versagens erkannt werden.
Diese Erfahrungen zeigen, dass für die Langzeitüberwachung von CFK-verstärkten
Strukturen das Messsystem sorgfältig konzipiert werden muss. Anderenfalls besteht die
Gefahr, dass die Ankündigung eines allfällig eintretenden Versagens zwar stattfindet,
durch die Messungen aber nicht erfasst wird.
82

Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
3.4 Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
3.4.1 Der Träger ET
Der für den Versuch ET verwendete Prüfkörper war ein Plattenbalken mit 6 m Spannweite,
der schon in den 70er Jahren bei verschiedenen Forschungsprojekten an der
EMPA Dübendorf eingesetzt wurde (Ladner und Weder [16]). Deuring benutzte eine
leicht modifizierte Version des Trägers für die Untersuchung der Verstärkungswirkung
von gespannt applizierten CFK-Lamellen (Balken 1, T Nr. 1 ... T Nr. 7; Deuring [4]). Im
Rahmen eines Prüfauftrags der Sika (Schweiz) AG wurden 1999 zwei Versuche (B1 und
B2) am gleichen (modifizierten) Balken durchgeführt (EMPA Bericht [9]).
Für die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der thermoplastischen Lamelle
wurde wiederum die von Deuring verwendete Ausführung des Plattenbalkens eingesetzt.
Zum Vergleich wurden schliesslich die Resultate der Versuche an Balken 1 und
B1 herbeigezogen.
Abmessung und Bewehrung
Bild 36 enthält eine Übersicht über die Masse und die Bewehrung des Trägers ET, sowie
über die im Versuch realisierte Lagerung und Krafteinleitung. Im Trägermittelbereich
waren keine Bügel vorgesehen, da diese die Lage der Risse beeinflusst hätten.
Der Plattenbalken war mit vier thermoplastischen Lamellen der Generation 2 verstärkt.
Tabelle 28 enthält eine Zusammenstellung der wichtigsten Versuchsdaten.
6700
350 1360 520
2240
[mm]
Q Q
Q Q Stahlplatte
120×200×20
4 ø 10
4 ø 26
2180 (Bügelbereich) 2240 (Bügelfrei)
5755 (Lamellenlänge)
Bg ø 6, s=104
Bg ø10, s=104
4 ø 10
Bg ø 6, s =104
Bg ø 10, s =104
4 ø 26
Betonüberdeckung 25
Bild 36: Träger ET – Trägermasse, Bewehrung und Laststellung
520 1360
900
50
122,5
350
40
412
48
Stahlplatte
200×300×40
160
340
500
320 260 CFK - Lamellen
ζ
83

Bauteilversuche
Bez. Prüfkörper Bewehrung Lamellen Herstellung
l b h As ζ(As) As' ζ(As') Bügel Typ Anz. Al 1)
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm]
ET 6700 900/
260
1) nomineller Wert
500 2124 452 314 36
Ø10,
s=104
Tabelle 28: Träger ET – Zusammenstellung der Trägerdaten
ζ(Al)
Th. L., Gen. 2, Ch. 2 4 60 501 19.05.'00
Versuchszeitraum
18.07.-
14.11.'00
Baustoffe
Beton
DerTrägerETwurdeauseinemEMPA Standardbeton der Qualität B35/25 hergestellt.
Für den gesamten Träger mussten drei 600 l-Chargen dieser Mischung produziert und
verarbeitet werden.
Der Zuschlag bestand aus Rundkies mit einem Grösstkorndurchmasser von 32 mm.
Bei jeder Charge waren die Fraktionsanteile folgendermassen zusammengesetzt:
0...4 mm – 388.2 kg; 4...8 mm – 193.8 kg; 8...16 mm – 205.8 kg; 16...32 mm –
424.2 kg. Mit 180 kg eines Portlandzemetes Cem I 42.5 und 90 l Wasser wurde ein
W/Z-Wert von 0.5 angestrebt.
Die Bestimmung der Würfeldruckfestigkeit und der Bohrkernzugfestigkeit erfolgte
entsprechend den Ausführungen in Kapitel 3.2.1. Das Alter der Würfel betrug am Prüftag
53 Tage, das der Bohrkerne ca. 7 Monate. In Tabelle 29 sind alle gemessenen Festigkeitswerte
zusammengestellt.
Würfeldruckversuche Bohrkernzugversuche
Rohdichte WürfeldruckfesBohrkernzug- Bemerkung:
tigkeitfestigkeit Bruch im/ bei...
ρc
Versuche 2410
2426
2416
fcw
fctb
[kg/m 3 ] [MPa] [MPa]
41.6
42.8
40.3
2.4
0.9
0.6
1.7
1.1
Mittelwert 2417 44.0 (1.3)
Standardabwei-
(0.7)
chung 8.1 1.6
Tabelle 29: Versuch ET – Festigkeitswerte des Betons
Stahlbewehrung
...Betongefüge
...grossem Zuschlagkorn
...grossem Zuschlagkorn
...Betongefüge
...grossem Zuschlagkorn
Die Zugbewehrung bestand aus vier Stäben mit nominellem Durchmesser Ø = 26 mm
vom Typ topar 500 S (SIA-Register-Nr. 3.1: aus der Walzhitze vergütetes Stabmaterial
der Firma Von Moos Stahl AG).
84

Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
An drei Proben wurden Zugversuche entsprechend den Ausführungen in Kapitel
3.2.1 durchgeführt. Die daraus gewonnenen Spannungs-Dehnungsdiagramme in Bild 37
und die mechanischen Kennwerte in Tabelle 30 beziehen sich auf den nominellen
Querschnittsdurchmesser.
Für die Druckbewehrung wurde ebenfalls Bewehrungsstahl vom Typ topar 500 S
verwendet, der nominelle Durchmesser war Ø = 10 mm. Die Bügelbewehrung bestand
aus Stäben mit Durchmesser Ø = 6 mm bzw. Ø = 10 mm vom Typ BSW-Super-Ring
(SIA-Register-Nr. 13.4: warmgewalztes Ringmaterial der Firma Badische Stahlwerke
GmbH). Die Druck- und die Bügelbewehrung wurden nicht weiter untersucht.
Nennquerschnitt
As,nom
Versuche 530.9
530.9
530.9
Querschnitt aus
Wägemessung
As,f(M,l,ρ)
Fliessgrenze
fy
Zugfestigkeit
[mm 2 ] [mm 2 ] [MPa] [MPa]
523.9
524.1
525.0
Mittelwert
Standardabwei-
530.9 524.3 516 626
chung 0 0.6 3.6 3.6
Tabelle 30: Versuch ET – Mechanische Kennwerte der Zugbewehrung
600
400
200
0
CFK-Lamellen
σ [MPa]
Der Träger ET war mit vier thermoplastischen Lamellen der Generation 2 verstärkt
(Tabelle 28). Die Eigenschaften dieser Lamelle sind in Kapitel 2.2.4 enthalten.
519
512
517
0 50 100 150 200 250
ε [‰]
Bild 37: Versuch ET – Spannungs-Dehnungsdiagramm der Zugbewehrung
ftk
629
627
622
85

Bauteilversuche
Klebstoff
Für die Applikation der Lamellen wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet. Die Eigenschaften
dieses Klebstoffs sind in Kapitel 2.1.1 zusammengestellt.
3.4.2 Versuchsdurchführung
Versuchsanlage
Der Versuch wurde in dem in Bild 38 gezeigten Prüfrahmen durchgeführt. Am Träger
oben waren zwei Amsler Prüfzylinder montiert. Deren Maximalkraft betrug je 500 kN
im dynamischen bzw. je 1000 kN im statischen Betrieb.
In der Ermüdungsphase wurden die Prüfzylinder von einem hydraulischen Pulsator
Amsler P131 gespiesen, bei welchem die Unter- und die Oberlast durch Einstellung des
zugehörigen Öldrucks geregelt werden konnte.
Für den statischen Bruchversuch wurden die Zylinder an eine Walter + Bai Ölpumpe
mit Federkraftanzeige angehängt. Die Steuerung erfolgte manuell mit einem Handrad.
Bild 38: Versuch ET - Versuchsanlage
86

Orientierung
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
Die Versuchsanlage stand parallel zu einer nahen Wand. Die Betrachtung von der offenen
Seite her zeigte den Träger von „vorne“, die wandzugewandte Seite war „hinten“.
„Links“ und „rechts“ folgten dementsprechend.
Die Betrachtungsrichtung „vorne“ – „hinten“ entsprach der Orientierung NNW –
SSO.
Lagerung und Krafteinleitung
Als Lager dienten zwei Betonblöcke mit darauf montierten Rollenlagern aus Stahl. Die
von den Amsler Prüfzylindern erzeugte Kraft wurde mit kurzen Verteilträgern aufgeteilt,
so dass der Träger in insgesamt vier Punkten belastet wurde.
Mit Stahlplatten und Mörtelbetten konnte an den Lager- und Krafteinleitorten eine
saubere Verteilung der dort hohen Spannungen realisiert werden.
Während der Schwingphasen wurden an beiden Lagerorten die horizontale Bewegung
zugelassen. Beim statischen Bruchversuch war die Rolle „links“ blockiert, horizontale
Verschiebungen waren somit nur im Lager „rechts“ möglich.
Messungen
Fest verdrahtete Messinstrumente
Im statischen Bruchversuch wurden die zwei in Bild 39 abgebildeten induktiven Wegaufnehmer
(W1i, W2i: Messbereich ±100 mm; Maximaler Messfehler ±0.2% des
Messwertes) verwendet, um die Durchbiegung in der Trägermitte zu erfassen.
Die aus der Öldruckmessung ermittelte Pressenkraft (4Q) hatte (gemäss Kalibrierungsbericht)
eine maximal Sollwertabweichung von 2.4% im Bereich bis 200 kN bzw.
von 1.1% im Bereich bis 2000 kN (im statischen Betrieb).
Die Daten der (nur im statischen Bruchversuch verwendeten) fest verdrahteten
Messinstrumente wurden in Intervallen von 5 Sekunden automatisch registriert.
Manuelle Messungen
In der Ermüdungsphase wurde das Schwingen regelmässig unterbrochen (Schwingpausen),
um bei statischen Beanspruchungen die Verformung zu messen. Hierbei kamen
ausschliesslich die im Folgenden beschriebenen manuellen Messmethoden zur Anwendung.
Für die Erfassung von Dehnungen wurde eine Serie von 500 mm – Messstrecken
(D4...D34, Bild 39) mit Aluminiumbolzen markiert und deren Längenänderung mit dem
Deformeter gemessen. Auf diese Weise konnte die Querschnittsverformung in Trägermitte
(mit Messstrecken D4...D12, D18 und D29) und der Dehnungsverlauf entlang den
Lamellen (mit Messstrecken D13...D34) bestimmt werden. Das Vorgehen beim Messen
entsprach der in Kapitel 3.2.2 erläuterten Prozedur. Das Deformeter war an einen portablen
Computer angeschlossen, so dass die Werte direkt in eine Tabelle eingelesen und
grafisch dargestellt werden konnten.
87

Bauteilversuche
[mm]
Bild 39: Versuch ET – Messungen am Träger
Mit mechanischen 1 /100 mm - Messuhren wurde die Durchbiegung in Trägermitte
(W1m, W2m) und bei den Krafteinleitungen (W3A, W3B) gemessen (Bild 39). Bei charakteristischen
statischen Lasten (bei Schwingpausen oder bei Laststufen im statischen
Bruchversuch) wurden sie abgelesen und die Werte von Hand notiert.
Für den statischen Bruchversuch wurden die mechanischen Messuhren (W1m, W2m)
durch die induktiven Wegaufnehmer (W1i, W2i) ersetzt, damit die Verformung kontinuierlich
aufgezeichnet werden konnte.
Die auf der „Vorderseite“ sichtbaren Risse wurden regelmässig mit einem Filzstift
nachgezeichnet und fotografisch festgehalten.
In der zweiten Hälfte der Ermüdungsphase war der Träger in eine Folie eingepackt,
in der mit Hilfe von zwei Luftbefeuchtern ein feuchtes Klima erzeugt wurde. Zur groben
88
Lasteinleitplatte
vorne
oben
vorne
Lagerplatte
hinten
vorne
60
35
600 1200
D13 D14 D15
W3A W1 (W2)
W3B
Q Q
Q Q
W3A
D16
252
48
40
40
120
100
60
290
290
60
100
S1S2 D24
S3
D25 D26 D27 D28 D29 D30 D31
S4
S5
unten
hinten
D17
Legende
Induktiver Wegaufnehmer (Ansicht)
Induktiver Wegaufnehmer (Achsrichtung)
DMS
Deformetermessstrecke (500 mm)
Deformetermessmarke Ansicht
Deformeter für manuelle Messung
Silverpaint-Streifen
D7 (D10)
D8 (D11)
D9 (D12)
D4
D5
D6
W1
D18
W2
D19
D20
100
W3B
60
D21
D22
D32 D33
S6
290
D23
D34
150
140
60
100
W3A,
W2 W3B
W1
hinten
vorne
S7 S8
120
252
40
40
48

Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
Überwachung der Feuchtigkeit und der Temperatur wurden „links“, in der Mitte und
„rechts“ am Träger je ein Haushaltshygrometer und ein -thermometer fixiert. Die
Messwerte wurden von Hand protokolliert.
Zusatzmessung: „Silverpaintmethode“
Wie bei Versuch PS4 wurde auch beim statischen Bruchversuch am Träger ET das Lamellenabschälen
mit der „Silverpaintmethode“ untersucht. Das Prinzip der Messmethode
ist in Kapitel dargestellt. Die Anordnung der Silverpaintstreifen ist in Bild 39
gegeben.
Versuchsvorbereitung und -ablauf
Versuchsvorbereitung
Nachdem der Beton des Trägers ausgehärtet war, wurde die Stegunterseite durch Stocken
für das Kleben vorbereitet. Danach folgte der Trägereinbau in die Prüfanlage, so
dass das Kleben der vier thermoplastischen Lamellen als Überkopfarbeit verrichtet
werden musste (in der Praxis übliche Ausführungsweise). Das Vorgehen entsprach ansonsten
den Ausführungen in Kapitel 3.2.2.
Vor Start der Ermüdungsphase:
Nachdem der Klebstoff ausgehärtet war, konnten die Messvorrichtungen angebracht
werden: die Aluminiumbolzen wurden geklebt und die mechanischen Messuhren positioniert
und justiert. Zwecks besserer Sichtbarkeit der Risse wurde schliesslich die Trägervorderseite
weiss gestrichen.
Nach 5 Millionen Lastzyklen (LZ):
Für die zweite Hälfte der Ermüdungsphase wurde der Träger in eine Plastikfolie gepackt.
An zwei Stellen wurde ein Befeuchter montiert, der Wasserdampf in das „Folienzelt“
hineinblies. Die „Talsohle“ des Folienzelts hatte ein konstantes Gefälle, so
dass Kondenswasser abgeleitet werden konnte.
Nach 10 Millionen Lastzyklen (LZ), vor dem statischen Bruchversuch:
Nach der zweiten Hälfte der Ermüdungsphase wurde das Folienzelt wieder entfernt und
der Träger für den statischen Bruchversuch vorbereitet. Hierbei wurden vor allem die
mechanischen Messuhren W1m und W2m durch die induktiven Wegaufnehmer W1i und
W2i ersetzt und die Messvorbereitungen für die Durchführung der „Silverpaintmethode“
getroffen (wie in Kapitel 3.2.2 dargestellt).
Für die Versuchsüberwachung wurde eine statische Berechung durchgeführt, die eine
Prognose des Biegeverhaltens lieferte.
89

Bauteilversuche
Versuchsablauf
Vor Belastungsbeginn war der Plattenbalken nur durch sein Eigengewicht beansprucht.
In diesem Zustand wurden die mechanischen Messuhren abgelesen und zwei Nullmessungen
mit dem Deformeter durchgeführt.
Mit einer statischen Vorbelastung bis 4Q = 450 kN wurde das in Bild 40 abgebildete
Rissbild erzeugt. Die über die Walter + Bai Federkraftanzeige gesteuerte Belastung erfolgte
stufenweise und mit regelmässiger Verformungsmessung. Danach wurde die
Kraft wieder abgelassen.
Anschliessend wurde die Ermüdungsphase gestartet. Mit einer Frequenz von
ca. 4.3 Hz wurde die Belastung zwischen Unterlast (4Q = 150 kN) und Oberlast
(4Q = 300 kN) alterniert. Nach 1.9 und 3.4 Millionen Lastzyklen wurde eine Schwingpause
eingelegt, um bei den statischen Lasten 4Q = 0, 150 und 300 kN Verformungsmessungen
durchzuführen. Nach 5 Millionen Lastzyklen war die erste Hälfte der
Ermüdungsphase abgeschlossen.
In der zweiten Hälfte der Ermüdungsphase wurde der Plattenbalken einem feuchtwarmem
Klima ausgesetzt. Nach insgesamt 6.6 und 8.4 Millionen Lastzyklen folgten
Schwingpausen mit Verformungsmessungen, nach total 10 Millionen Lastzyklen war
auch die zweite Hälfte der Ermüdungsphase abgeschlossen.
Die Schwingpausen dienten, wie bereits erwähnt, der Erfassung der Verformung bei
drei statisch aufgebrachten Laststufen. Damit aber die Messarbeiten in einem angenehmen
Arbeitsrhythmus durchgeführt werden konnten, wurden die Unterbrüche als
Pufferzeit genutzt und manchmal während einigen Tagen aufrechterhalten.
Wie bei der Vorbelastung wurde der statische Bruchversuch über das Handrad der
Walter + Bai Federkraftanzeige gesteuert. Damit gelang eine sehr sorgfältige Regulierung
der Kraftzunahme, bis die für die Verformungsmessung vorgesehenen Laststufen
erreicht waren. Auf diesen Stufen wurde die Verformung während je etwa 10 bis 15
Minuten konstant gehalten, bis alle Messungen abgeschlosen waren. Durch Vergleich
der Messresultate mit den prognostizierten Werten konnte der Versuch überwacht werden.
Die stufenweise Krafterhöhung wurde fortgesetzt, bis nach etwa 90 Minuten das
Versagen erreicht war.
3.4.3 Kurzbeschreibung der Versuche an Balken 1 und B1
Versuch an Balken 1
Deuring prüfte von 1990 bis 1992 acht Plattenbalken mit identischer Geometrie und
Lastanordnung (Deuring [4]). Balken 1 war der unverstärkte Referenzversuch und bildete
den Anfang dieser Serie.
Für die Herstellung des Trägers wurde ein Beton der Qualität B 35/25 verwendet.
Das Grösstkorn hatte einen Durchmesser von 32 mm, der Zementgehalt betrug
300 kg/m3 und der Wassergehalt 150 kg/m3 . Die Bewehrung bestand aus Betonstahl
vom Typ topar-500S.
90

Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
Balken 1 wurde in einem statischen Bruchversuch geprüft. Das heisst, dass entsprechend
dem Laststufenplan die Kraft kontinuierlich erhöht wurde, bis das Versagen eintrat.
Die Verformungsmessung wurde jeweils bei Erreichen einer Laststufe ausgelöst.
Versuch an B1
B1 war der erste von zwei Versuchen am Plattenbalken, die 1999 im Auftrag der Sika an
der EMPA durchgeführt wurden (EMPA Bericht [9]). Mit diesen paxisnahen Versuchen
sollte die Tauglichkeit des CFK-Verstärkungssystems CarboDur bei Ermüdungsbeanspruchung
bestätigt werden.
Auch der Träger B1 wurde aus Beton B 35/25 hergestellt. Der Grösstkorndurchmesser
betrug 32 mm, der Zementgehalt 300 kg/m3 . Die Bewehrung bestand aus einem
Bewehrungsstahl der Qualität S500.
B1 war mit vier Lamellen vom Typ Sika CarboDur S512 verstärkt. Die Querschnittsfläche
betrug je 62.5 mm2 , der Elastizitätsmodul 163 GPa. Für die Applikation
wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet
Nach dem Einbau in den Prüfrahmen wurde zuerst die statische Last 4Q = 450 kN
aufgebracht, um ein möglichst vollständiges Rissbild zu erzeugen. In der darauf folgenden
Ermüdungsphase wurde der Träger mit einer Frequenz von ca. 4.4 Hz dynamisch
beansprucht. In drei ungefähr gleich grossen Schwingeinheiten wurde die Kraft
zwischen der Unterlast (4Q = 150 kN) und der Oberlast (4Q = 300 kN) alterniert, bis
nach ca. zwei Wochen 5 Millionen Lastzyklen erreicht waren. Nach jeder dieser Einheiten
wurden die Trägerverformung bei statisch aufgebrachter Unter- und Oberlast gemessen.
Nach Abschluss der Schwingphase folgte ein statischer Bruchversuch.
3.4.4 Versuchsresultate
Auswertung und Darstellung der Messdaten
Fest verdrahtete Messunginstrumente
Der für die Messungen eingesetzte Computer lieferte direkt die von den induktiven
Wegaufnehmern registrierten Verformungen in Balkenmitte (Auswertung entsprechend
den Ausführungen in Kapitel 3.2.3).
Durch die doppelte Messung an dieser Stelle (W1i „vorne“, W2i „hinten“) sollte eine
allfällige Verkippung um die Längsachse bzw. Torsion erkannt werden. Dieser Effekt
erwies sich als vernachlässigbar, daher wurde im weiteren nur der Mittelwert der zwei
Messwerte verwendet.
Über den Öldruck in den Kammern der zwei Pressen wurde die an den vier Stellen
eingeleitete Kraft ermittelt. Diese Kraft wurde daher als 4Q bezeichnet.
91

Bauteilversuche
Manuelle Messungen
Die mit dem Deformeter erfassten Längenänderung der Messstrecken D4...D34 wurden
entsprechend den Ausführungen in Kapitel 3.2.3 ausgewertet.
Die von den mechanischen Messuhren stammenden Ablesewerte mussten um die
Referenzwerte aus der Nullmessung reduziert werden. Dann lagen auch hier die Nettodurchbiegungen
vor.
„Silverpaintmethode“
Die Auswertung der „Silverpaintmethode“ erfolgte so, wie in Kapitel 3.2.3 dargestellt.
Tabelle 31 enthält eine Übersicht über die Herkunft der Messwerte.
Messinstrument/
physische Messgrösse
Induktive
Wegaufnehmer
Pressenkraft
Deformetermessstrecken
W1, W2
W3A, W3B
D4...D12
D13...D34
direkter Messwert abgeleiteter Messwert
Messwert Auswertung Messwert Auswertung
w1, w2
w3A, w3B
4Q 4Q direkt gemessen
εc (D4)...εc (D12)
εl (D13)...εl (D34)
direkt gemessen wm Mittelwert {w1, w2}
Korrektur systematischer Messfehler,
Differenzbildung zur
Nullmessung, Bezug zur Basislänge
Tabelle 31: Versuch ET – Vom Messinstrument zum Messwert
εc, sup
εs, sup
εc, m
εs, inf
εl, m
Mittelwert {εc (D4)...εc (D6)}
Mittelwert {εc (D7)...εc (D10)}
Mittelwert {εc (D8)...εc (D11)}
Mittelwert {εc (D9), εc (D12)}
Mittelwert {εl (D18), εl (D29)}
Versuch ET
Vorbelastung und Ermüdungsversuch
In Tabelle 32 sind die Laststufen und die Schwingpausen aufgelistet, bei welchen die
Verformung infolge statischer Belastung gemessen wurden. Die dabei erfassten Durchbiegungen
der Trägermitte sind in Bild 41 dargestellt. Die Dehnungen bei einigen ausgewählten
Punkten der Belastungsgeschichte sind in Bild 42 enthalten.
Die statische Vorbelastung führte zu einem ersten Riss bei einer Last von
4Q = ca. 55 kN. Die stufenweise Erhöhung der Beanspruchung wurde fortgesetzt bis
4Q = 450 kN, dann wurde die Kraft wieder vollständig abgelassen. Durch diese Beanspruchung
hatten sich entlang der gesamten Trägerlänge Risse gebildet. Im bügelfreien
Mittelbereich, zwischen den Krafteinleitstellen, verliefen sie meist senkrecht und hatten
einen mittleren Abstand von ca. 90 mm. Gegen die Auflager hin waren sie zunehmend
geneigt, wobei die äussersten Risse eine Neigung von ca. 45° hatten (Bild 40).
Nach der Entlastung wurde eine verbleibende Verformung gemessen. Diese ist sowohl
im Kraft-Durchbiegungsdiagramm in Bild 41 als auch in den Dehnungsdiagrammen
in Bild 42 erkennbar.
92

Bild 40: Versuch ET – Rissentwicklung bei der Vorbelastung
Laststufe
0
½ 123210
0
1
2
0
1
2
0
1
2
0
1
2
0
1
2
0
1
2
0
1
2
4Q wm εc, sup εl (D18) εl (D29) Anzahl
Lastwechsel
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰] [·10 6 ]
0
75
150
300
450
300
150
0
0
150
300
0
150
300
0
150
300
0
150
300
0
150
300
0
150
300
0
150
300
0.00
2.84
7.18
16.17
25.65
19.29
11.82
4.37
6.28
12.12
19.70
6.02
12.25
19.82
5.46
11.90
19.54
6.25
12.42
20.12
6.49
12.79
20.30
6.92
12.87
20.36
7.37
13.09
20.53
0.00
-0.11
-0.22
-0.43
-0.67
-0.49
-0.30
-0.08
-0.11
-0.31
-0.51
-0.13
-0.33
-0.53
-0.12
-0.31
-0.51
-0.15
-0.34
-0.54
-0.14
-0.34
-0.54
-0.14
-0.34
-0.54
-0.14
-0.34
-0.54
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
0.00
0.26
0.70
1.50
2.27
1.65
1.00
0.34
0.45
1.03
1.70
0.47
1.03
1.70
0.42
1.00
1.68
0.47
1.03
1.70
0.53
1.11
1.76
0.59
1.13
1.79
0.59
1.13
1.78
0.00
0.30
0.71
1.48
2.24
1.63
0.98
0.32
0.45
1.02
1.68
0.45
1.02
1.68
0.40
0.99
1.65
0.46
1.02
1.69
0.51
1.06
1.71
0.56
1.10
1.74
0.61
1.11
1.75
0
0
0
0
0
0
0
0
1.9
1.9
1.9
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
5.0
5.0
5.0
6.7
6.7
6.7
8.4
8.4
8.4
10.0
10.0
10.0
Datum Bemerkung
18.07.'00
18.07.'00
18. 07.'00
18. 07.'00
18. 07.'00
18. 07.'00
18.07.'00
18.07.'00
24.07.'00
24.07.'00
24.07.'00
28.07.'00
28.07.'00
28.07.'00
03.08.'00
03.08.'00
03.08.'00
07.08.'00
07.08.'00
07.08.'00
23.08.'00
23.08.'00
23.08.'00
28.08.'00
28.08.'00
28.08.'00
01.09.'00
01.09.'00
01.09.'00
Nullmessung
Vorbelastung
Vorbelastung
Vorbelastung
Entlastung
Entlastung
Entlastung
Entlastung
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Start Unterbruch
Ende Unterbruch
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „trocken“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Ermüdung „feucht“
Tabelle 32: Versuch ET – Laststufen der Vorbelastung und Schwingpausen in der Ermüdungsphase
93

Bauteilversuche
Die erste Phase des Ermüdungsversuchs wurde bei Raumklima (ca. 22°C,
40% rel. F.) durchgeführt. Die Messung in den Schwingpausen nach 1.9, 3.4 und 5
Millionen Lastzyklen ergaben eine leichte Verformungszunahme mit steigender Anzahl
Lastzyklen. Die gedrängte Sägezahnlinie in Bild 41 zeigt die Auswirkung auf die
Durchbiegung. In Bild 42 ist der Dehnungszustand am Ende der ersten Phase des Ermüdungsversuchs
(nach 5 Millionen Lastzyklen) dargestellt.
Gegenüber dem Träger nach der Vorbelastung waren die Risse teilweise leicht gewachsen,
neue hatten sich aber keine gebildet.
In der zweiten Phase des Ermüdungsversuchs war der Plattenbalken einer relativen
Luftfeuchtigkeit von 95% und einer leicht erhöhten Temperatur von 26°C ausgesetzt.
Die Messungen in den Schwingpausen nach 6.6, 8.4 und 10 Millionen Lastzyklen ergaben
wiederum eine leichte Zunahme der durch die statische Belastung verursachten
Verformung (Bild 41 und Bild 42). Es konnte aber kein starker Einfluss der nun anspruchsvolleren
klimatischen Bedingungen erkannt werden.
Risse hatten sich keine neuen gebildet, einige der bestehenden waren aber leicht gewachsen.
Bild 41: Versuche ET und B1 – Kraft-Durchbiegungsdiagramm bei Vorbelastung und
Ermüdungsversuch
94
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
4Q [kN]
B1 (0...5 Mio LZ)
ET "trocken" (0...5 Mio LZ)
ET "feucht" (5...10 Mio LZ)
0 5 10 15 20 25
wm [mm]

4Q = 0 kN
4Q = 150 kN
4Q = 300 kN
0.0
1.8
0.0
1.8
0.0
1.8
0.0
1.8
0.0
ε l [‰]
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
-2500 2500
ε l [‰]
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
Statischer Bruchversuch
x [mm]
-2500 x [mm]
2500
1.8
0.0 Lamelle "hinten" 2)
1.8
ε l [‰]
Lamelle "vorne" 1)
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
-0.6 1.8
ε [‰] 3)
-0.6 1.8
ε [‰]
1) Dehnungen εl(D13)...εl(D23)
2) Dehnungen εl(D24)...εl(D34)
3) Dehnungen εc, sup, εs, sup, εc, m, εs, inf, εl, m (von „oben“ nach „unten“)
3)
-2500 x [mm]
2500
Bild 42: Versuch ET – Dehnung bei statischer Last nach verschiedener Anzahl Lastzyklen
In Tabelle 33 sind die Laststufen dargestellt, bei welchen Verformungsmessungen
durchgeführt wurden. Das Kraft-Durchbiegungsdiagramm in Bild 43 stammt aus der
kontinuierlichen Messung mit den induktiven Wegaufnehmern, die Dehnungen in Bild
44 zeigen den Zustand bei einigen ausgewählten Laststufen.
Da der Plattenbalken bereits gerissen war, verlief der Anstieg im Kraft-Durchbiegungsdiagramm
(Bild 43) bis zum Erreichen des Stahlfliessens bei 4Q = ca. 610 kN
-200
300
-200
300
-200
300
z [mm]
z [mm]
1. Belastung
1. Entlastung
nach 5 Mio LZ
nach 10 Mio LZ
1. Belastung
1. Entlastung
nach 5 Mio LZ
nach 10 Mio LZ
-0.6 1.8
ε [‰] 3)
z [mm]
1. Belastung
1. Entlastung
nach 5 Mio LZ
nach 10 Mio LZ
95

Bauteilversuche
nahezu linear. Die Kraft wurde weiter erhöht, bis nach dem Erreichen des Maximums
von 4Q = 702 kN das Versagen durch Lamellenabscheren folgte.
Die aus der Vorbelastung stammenden Risse blieben quasi unverändert bis zur Egalisierung
der damals aufgebrachten Kraft von 4Q = 450 kN. Danach wuchsen sie langsam
hinauf bis in die Platte des Trägers hinein; die Druckzone lag also, wie durch
Berechnung und Messung bestätigt, innerhalb der Platte. Neue Risse hatten sich bis zum
Trägerversagen keine mehr gebildet.
Die Auswertung der „Silverpaintmethode“ lieferte das Diagramm in Bild 45. Demnach
hatte das Ablösen seinen Ursprung unter der „linken“ Krafteinleitung. Von dort
aus lief der Riss gegen das „linke“ Auflager und trennte so die Lamelle vom Träger,
dann folgte die Rissausbreitung gegen „rechts“. Schliesslich blieb die Lamelle an einem
ca. 20 cm langen Abschnitt beim „rechten“ Auflager hängen.
Über eine Länge von etwa ¾ der Spannweite lag die Abscherebene im Beton des
Trägers (inkl. des Bereichs, wo der Ursprung des Ablösens ermittelt wurde). Zwischen
den Krafteinleitungen, wo der Träger keine Bügel hatte, reichte die Tiefe der abgerissenen
Betonschicht bis auf die Biegezugbewehrung. Anders sah die Trennebene im Bereich
der Auflager aus: dort lag sie in den Lamellen selbst. Beim „rechten“ Auflager
herrschte vermutlich eine „Mode I“ - dominierte Beanspruchung (d.h. Rissuferzugkraft
senkrecht zur Rissebene), die zu einer bürstenartigen Ausfransung der Trennfläche
führte (Bild 46).
Laststufe
0
1
2
3
4
5
6
4Q wm εc, sup εl (D18) εl (D29) Bemerkung
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]
0
0
150
148
302
298
448
437
597
573
626
611
651
642
0
0
5.85
5.65
13.3
13.2
21
20.9
30.1
30.15
40.1
40.5
55.3
55.55
-0.22 0.44 0.44
Nullmessung
Zustand II
-0.41 0.96 0.95 Zustand II
-0.61 1.64 1.61 Zustand II
-0.8 2.31 2.27 Zustand II
-1.04 3.25 3.18 Zustand II
-1.3 4.82 4.75 Zustand III
-1.59 6.64 6.58 Zustand III
701 80.1 ~ -2.1 1) ~ 9.6 1) ~ 9.6 1) Höchstlast
1) Wegen des linearen Verformungsverlaufs innerhalb der Zustände I, II und III wurden die Dehnungen bei Höchstlast
durch Extrapolation der vorangehenden Messwerte bestimmt, z.B.:
ε l,max (D18)≈6.64�(6.64�4.82)
Tabelle 33: Versuch ET – Laststufen im statischen Bruchversuch
96
80.1� (55.55�55.3)
2
(55.55�55.3)
�
2
(40.5�40.1)
2
= 9.6

800
700
600
500
400
300
200
100
0
4Q [kN]
1
2
3
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
4
Balken 1 (unverstärkter Träger)
B1 (mit CarboDur S512)
ET
B1 Schwingphase (0...5 Mio LZ)
ET Schwingphase (0...10 Mio LZ)
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
wm [mm]
Bild 43: Versuche ET, B1 und Balken1 – Kraft-Durchbiegungsdiagramm im statischen
Bruchversuch
5
Vergleich der Ermüdungsversuche an den Trägern ET und B1
In Bild 41 sind die Kraft-Durchbiegungsdiagramme der Vorbelastung und der Ermüdungsversuche
an den Trägern ET und B1 dargestellt.
Die Vorbelastung war bei beiden Versuchen gleich und erzeugte ähnliche Verformungen.
Während der Ermüdungsversuch an Träger ET aus zwei Phasen bestand (5 Millionen
Lastzyklen „trocken“ + 5 Millionen Lastzyklen „feucht“), wurde Träger B1 nur entsprechend
der ersten dieser Phasen geprüft. Bei Träger ET wurden in den Schwingpausen
die Verformung bei 4Q = 0, 150 und 300 kN durchgeführt, während bei Träger B1
die erste dieser Laststufen ausgelassen wurde.
Trotz dieser Unterschiede erkennt man eine gute Übereinstimmung der Durchbiegungsmesswerte
in Bild 41. Da die Stahlbewehrung nur im elastischen Bereich beansprucht
wurde (Zustand II), ist die unterschiedliche Steifigkeit der für die Verstärkung
der Träger ET und B1 verwendeten Lamellen nicht erkennbar.
6
97

Bauteilversuche
Einfluss der LZ, 4Q=0kN
Einfl. der LZ, 4Q=150kN
Einfl. der LZ, 4Q=300kN
Stat. Bruchversuch
98
0.0
1.8
0.0
1.8
0.0
1.8
0.0
1.8
0.0
ε l [‰]
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
-2500
εl [‰]
x [mm]
2500
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
-2500
εl [‰]
x [mm]
2500
1.8
0.0 Lamelle "hinten" 2)
1.8
0.0
5.0
0.0
5.0
Lamelle "vorne" 1)
-2500
εl [‰]
x [mm]
2500
Lamelle "vorne" 1)
Lamelle "hinten" 2)
-2500 x [mm]
2500
1)
Dehnungen εl(D13)...εl(D23)
2)
Dehnungen εl(D24)...εl(D34)
3)
Dehnungen εc, sup, εs, sup, εc, m, εs, inf, εl, m (von „oben“ nach „unten“)
-0.6 ε [‰] 1.8
3)
Bild 44: Versuch ET – Dehnungen im Ermüdungsversuch und im statischen Bruchversuch
-200
300
-200
300
-200
300
-200
300
z [mm]
z [mm]
1. Belastung
1. Entlastung
nach 5 Mio LZ
nach 10 Mio LZ
1. Belastung
1. Entlastung
nach 5 Mio LZ
nach 10 Mio LZ
-0.6 1.8
ε [‰] 3)
z [mm]
1. Belastung
1. Entlastung
nach 5 Mio LZ
nach 10 Mio LZ
-0.6 1.8
ε [‰] 3)
z [mm]
Laststufe:
0
1
2
3
4
5
6
-2.0 7.0
ε [‰] 3)

U
Versagen
S3
1024.4 1024.6
3. S1
(bei 3064.55 ms) 2. S2
(bei 3064.52 ms)
K1: S1+S2
K2: S3+S4
K3: S5+S6
K4: S7+S8
Bild 45: Versuch ET – Versagen der Silverpaintstreifen
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
Versagen S2
Versagen S1
Versagen S4
3064.2 3065.2
1. S3
(bei 1024.45 ms)
t [ms]
4. S4
(bei 3064.94 ms)
Versagen
S5
3071.6 3071.8
Versagen
S6
4027.2 4027.4
5. S5
6. S6 S7 S8
(bei 3071.71 ms) (bei 4027.30 ms)
Vergleich der Bruchversuche an den Trägern ET, B1 und Balken 1
In Bild 43 sind die Kraft-Durchbiegungsdiagramme der statischen Bruchversuche an
den Trägern ET, B1 und Balken 1 dargestellt. Die mit CFK-Lamellen verstärkten Träger
ET und B1 waren zuvor schon einem Ermüdungsversuch ausgesetzt gewesen, während
Balken 1 bei Versuchsbeginn noch nicht einmal angerissen war.
Die Kraft-Durchbiegungsdiagramme der Versuche ET und B1 verliefen bis zum Erreichen
des Stahlfliessens bei 4Q = ca. 610 kN nahezu deckungsgleich. Danach verhielt
sich Träger B1 etwas steifer und erreichte mit 4Q = 743 kN eine um ca. 6% höhere
Versagenslast als Träger ET. Letzterer versagte dafür bei einer etwas grösseren Verformung.
Wie schon beim Vergleich der Versuche PS1 (bzw. PS4) und PS2 (Kapitel
3.2.3) erwähnt, kommt diese Beobachtung vermutlich von den unterschiedlichen Steifigkeiten
der Lamelle Sika CarboDur S512 (am Träger B1) und der thermoplastischen
Lamelle (am Träger ET).
Balken 1 verhielt sich von Anfang an weicher als die verstärkten Träger ET und B1.
Die Kraft, bei welcher der Bewehrungsstahl zu fliessen begann, war fast gleich wie bei
den anderen Versuchen. Danach folgte aber kaum mehr ein Ansteigen der Kraft, so dass
bei 4Q = 636 kN die Traglast erreicht war.
Das Diagramm zu Balken 1 in Bild 43 entstand aus den wenigen Punkten, die bei den
Laststufen im Versuch erfasst wurden.
99

Bauteilversuche
Bild 46: Versuch ET – Abgescherte Lamelle nach dem Versagen
Folgerungen aus dem Versuch am Träger ET
Die Lastzyklen haben keine erkennbaren Ermüdungserscheinungen an der thermoplastischen
Lamelle bzw. am Verbund zwischen Lamelle und Beton bewirkt. Wäre es zu
Schädigungen gekommen, die das Tragverhalten des Plattenbalkens ET beeinflussen,
hätte dies vermutlich einen Einfluss gehabt auf das Last-Verformungsverhalten des am
Schluss durchgeführten Bruchversuchs. Entsprechende Beobachtungen wurden allerdings
keine verzeichnet.
Die mit der thermoplastischen Lamelle gemachten Erfahrungen decken sich sehr gut
mit denjenigen, die anhand des weitgehend identischen Versuchs mit der Lamelle Sika
CarboDur S512 gemacht wurden (EMPA Bericht [9]). Die Produkte können daher bezüglich
der Eignung zur Aufnahme von Wechsellasten als gleichwertig eingestuft wer-
100

Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch
den: beide haben sich im Versuch sehr gut bewährt und dürfen deshalb auch für die
Verstärkung von wechsellastbeanspruchten Bauteilen in Betracht gezogen werden.
Wie schon in Kapitel 3.3.3 bemerkt, wurde wegen der erhöhten Feuchtigkeit in der
zweiten Hälfte der Ermüdungsphase eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften
des Matrixmaterials PA12 erwartet. Die Lamelle wurde aber in diesem Versuch in keinerlei
Hinsicht massgebend. Auch sonst konnte keine feuchtigkeitsbedingte Versuchsbeeinflussung
festgestellt werden.
Der statische Bruchversuch hat zum Versagen durch Lamellenabscheren geführt. Die
gute Haftung Lamelle-Klebstoff äusserte sich wieder darin, dass die Abscherebene im
Bereich des Versagensursprungs innerhalb des Betongefüges lag.
101

4 Weitere Erkenntnisse
4.1 Aufrollversuch
Von im Bauwesen eingesetzten Werkstoffen wird in der Regel verlangt, dass sie keine
besonderen Massnahmen bezüglich Lagerung, Transport und Handhabung erfordern.
Die bisher verwendete Lamelle Sika CarboDur S512 wird für Transportzwecke gerollt
(Innendurchmesser ca. 900 mm) und in Transportcontainern gelagert. Bei der Verfrachtung
per Schiff können in einem solchen Container Temperaturen bis 60°C
auftreten.
Lamellenbezeichnung
Generation 2
Charge 3:
„SUPreM
CarboDur
T 512
Lot 001“
Generation 2
Charge 4
Generation 2
Charge 4
Generation 2
Charge 4
Generation 2
Charge 4
Rollendurchmesser
innen
Anzahl
Lagen
[mm] [-]
Lage der
Käsestruktur
Temperatur
ca. 650 3 innen 45
ca. 650 4 innen 56
ca. 750 4 innen 56
ca. 900 4 innen 56
ca. 650 4 aussen 56
Tabelle 34: Ergebnisse der Aufrollversuche
Beobachtung
[innen/
aussen] [°C] nach 3 Tagen nach 27 Tagen
Rolle ausgeknickt,
vgl. Bild 47
blasenartiges Ablösen
der Fasern auf
Rolleninnenseite
(Ausknicken der
Oberflächenfasern)
blasenartiges Ablösen
der Fasern auf
Rolleninnenseite
(Ausknicken der
Oberflächenfasern)
keine erkennbare
Schädigung
keine erkennbare
Schädigung
-
Beobachtung wie
nach 3 Tagen, etwas
ausgeprägter
Beobachtung wie
nach 3 Tagen, etwas
ausgeprägter
erste Anzeichen von
blasenartigem Ablösen
der Fasern auf
Rolleninnenseite
keine erkennbare
Schädigung
103

Weitere Erkenntnisse
Um die Beständigkeit der thermoplastischen Lamelle zu prüfen, wurde zuerst anhand
der Charge 3 der Generation 2, danach auch an Charge 4 einige Aufrollversuche durchgeführt.
Hierbei wurden Lamellenstücke mit mehreren Metern Länge aufgerollt und in
in einen Klimaschrank gegeben. Die Versuchsparameter und die Beobachtungen sind in
Tabelle 34 zusammengefasst.
Der kritische Bereich beim Aufrollversuch ist die Rolleninnenseite. Hier werden die
oberflächennahen Fasern auf Druck beansprucht und möchten ausknicken, werden aber
von der Matrix zurückgehalten. Bei erhöhten Temperaturen beginnt diese verstärkt zu
kriechen, so dass die stützende Wirkung nachlässt.
Besonders deutlich äusserte sich dieses Verhalten bei der Charge 3 der Generation 2,
welche wegen des hohen Faseranteils einen geringeren Matrixgehalt enthielt und deshalb
schon nach kurzer Lagerzeit im Klimaschrank in sich kollabierte (Bild 47). Durch
die Reduktion des Fasergehalts bei Charge 4 konnte diesem Problem erfolgreich begegnet
werden. Demnach braucht es einen minimalen Matrixgehalt, der auch in Oberflächennähe
die Fasern im Gefüge hält und gegen das Ausknicken sichert. Da die
Käsestruktur schwächer imprägniert ist und dadurch weniger stützende Matrix enthält
scheint es sinnvoll, bei Transporten und Lagerungen darauf zu achten, dass diese
Schicht nicht in der druckbeanspruchten Rolleninnenseite liegt. Dies wird auch durch
die Beobachtungen in Tabelle 34 bestätigt.
Bild 47: Aufrollversuch: ausgeknickte Rolle nach der Lagerung im Klimaschrank
104

4.2 Haftzugversuch
Haftzugversuch
Ein üblicher Versuch zur Prüfung der Verbundgüte von Lamelle und Betonoberfläche
ist der Haftzugversuch. Hierbei wird nach sieben Tagen Aushärtungszeit mit einem
Hohlbohrer (im Allgemeinen mit Durchmesser 30 mm) durch die Lamelle durchgebohrt
und weiter bis ca. 5 mm in den darunterliegenden Beton hinein. Auf die abgetrennte
„Lamelleninsel“ wird ein Stahlzylinder geklebt, der mit einem Zuggerät gefasst werden
kann. Bei zweckmässiger Wahl von Lamelle und Klebstoff findet das Versagen im Betongefüge
statt, es wird also die Haftzugfestigkeit des Betons gemessen.
Der Haftzugversuch wurde anhand der Chargen 3 und 4 der Generation 2 durchgeführt.
Die Resultate sind in Tabelle 35 enthalten.
Lamellenbezeichnung Versuch Nr. Stempeldurchmesser
Generation 2
Charge 3:
„SUPreM CarboDur
T 512 Lot 001“
Generation 2
Charge 4
Tabelle 35: Ergebnisse der Haftzugversuche
Øs
Haftzugfestigkeit
fh
[mm] [MPa]
Bruchbild
1 30 2.4 interlaminar (vgl. Bild 48a))
2 30 2.1 interlaminar (vgl. Bild 48a))
3 30 2.4 interlaminar (vgl. Bild 48a))
1 30 4.3 im Betongefüge (vgl. Bild 48b))
2 30 5.1 im Betongefüge (vgl. Bild 48b))
3 30 4.1 im Betongefüge (vgl. Bild 48b))
Bei der Charge 3 der Generation 2 kam es zu einem interlaminaren Versagen, die
innere Zugfestigkeit der Lamelle war demnach geringer als die des Betons. Das Bruchbild
(Bild 48a)) erinnerte an die bürstenartige Ausfransung, die schon im Lagerbereich
von Träger ET beobachtet wurde (Bild 46). Die Zugfestigkeit der Lamelle in Querrichtung
ist nicht von essenzieller Bedeutung für die Erfüllung der ihr zugewiesenen Verstärkungsaufgabe,
bei geringer interlaminarer Festigkeit kann allerdings die Güte des
Verbunds Lamelle-Beton nicht mit dem Haftzugversuch beurteilt werden.
Wie bereits in Kapitel 4.1 beschrieben, wurde durch die Reduktion des Faseranteils
bei Charge 4 der Matrixgehalt erhöht. Die Wirkung dieser Massnahme konnte mit dem
Haftzugversuch bestätigt werden: das Versagen konnte aus dem interlaminaren Bereich
in den Beton verlagert werden (Bild 48b)), so dass bei Charge 4 der Versuch wieder für
die Prüfung der Verbundgüte beigezogen werden kann.
105

Weitere Erkenntnisse
a) b)
Bild 48: Bruchbild im Haftzugversuch
106

Verdankungen
Die Entwicklung und Prüfung einer kohlenstofffaserverstärkten Lamelle mit thermoplastischer
Matrix wurde realisiert von den Projektpartnern EMPA Dübendorf, Sika
(Schweiz) AG und Sulzer Markets and Technology AG. Die Inangriffnahme des Projekts
wurde von den den Herren Prof. Urs Meier (EMPA), Alexander Bleibler (Sika),
Dr. Bernd Burchhardt (Sika), Ernesto Schümperli (Sika) und Dr. Walter Looser (Sulzer)
gutgeheissen und unterstützt.
Die Lamellenentwicklung und -optimierung wurde bei der Sulzer Markets and
Technology AG in Winterthur durchgeführt. Der technische Teil dieser Arbeiten wurde
geleitet von den Herren Dr. Albert Vodermayer und Dr. Jens Kärger.
Mit den an der EMPA Dübendorf durchgeführten Bauteilversuchen wurde die Eignung
der thermoplastischen Lamelle für die Verstärkung wirklicher Tragwerke untersucht.
Die Vorbereitung und Durchführung der Versuche erfolgte unter massgeblicher
Beteiligung von Frau Janine Régnault und der Herren Heinz Altorfer, Giuseppe Cuccuru,
Bruno Dürst, Kurt Hermann, Hanspeter Hutter, Bernd Jähne, Heinrich Lippuner,
Dr. FrankStenger,IwanStöcklin,Werner Studer, Walter Trindler und Dr. Andreas
Winistörfer. Die Konzeptionierung und Umsetzung der Messtechnik erfolgte mit Unterstützung
der Herren Peter Anderegg, Dr. Rolf Brönnimann, Enzo Cattarin, Klaus
Hörtner und Roger Vonbank.
Von der Sika (Schweiz) AG wurden die Entwicklungs- und Versuchsarbeiten rege
begleitet und unter dem Aspekt der Markttauglichkeit begutachtet. Hierbei wirkten insbesondere
die Herren René Bächli, Miklos Basler, Urs Hüssy und Heinz Meier.
Der Verfasser des vorliegenden Berichts wurde für die Bearbeitung des Projekts von
seinem direkten Vorgesetzten, Prof. Thomas Vogel (Institut für Baustatik und Konstruktion,
IBK, ETH Zürich), für zwei Jahre freigestellt.
Allen Aufgeführten sei für ihre kompetente und entgegenkommende Mitarbeit herzlich
gedankt.
Das Projekt wurde finanziell unterstützt durch die Schweizerische Kommission für
Technik und Innovation (KTI). Für die Bereitstellung der Mittel wird aufrichtig gedankt.
107

Bezeichnungen
Lateinische Grossbuchstaben
A
D
E
G
H
K
M
N
Fläche
Deformetermessstrecke
Elastizitätsmodul
Schubmodul
Bauteilort („hinten“); Feuchtigkeit
Messkanal
Biegemoment; Messort
Messort
Lateinische Kleinbuchstaben
a
b
c
f
h
l
m
n
s
Parameter (Steigung)
Breite
Parameter (Achsenabschnitt)
Festigkeit
Höhe
Länge
Mittelwert
Anzahl
Schlupf; Standardabweichung;
Bügelabstand
Griechische Kleinbuchstaben
δ
ε
ζ
η
ξ
Verhältniszahl
Dehnung
Koordinate (vertikal nach unten, ab
OK Bauteil)
Koordinate (senkrecht zu ξ, ab
Schwerpunkt)
Koordinate (in Bauteillängsrichtung,
ab Schwerpunkt)
Weitere Zeichen
∆ Differenz Ø Durchmesser
Q
S
T
U
V
W
t
v
w
x
y
z
ρ
σ
φ
χ
Kraft
Silverpaintstreifen
Temperatur
elektr. Spannung
Querkraft; Voltmeter; Bauteilort
(„vorne“)
Wegaufnehmer
Zeit; Dicke
Variationskoeffizient
Durchbiegung
Koordinate (in Bauteillängsrichtung,
ab Schwerpunkt)
Koordinate (orthogonal zu x und z,
ab Schwerpunkt)
Koordinate (vertikal nach unten, ab
Schwerpunkt)
geometrischer Gehalt; Dichte
Spannung
Winkel
Krümmung
109

Fusszeiger
A
B
b
ber
c
E
exp
g
f
H
h
i
inf
k
l
M
m
Krafteinleitungsort; Index
Krafteinleitungsort; Index
Bohrkern
berechnet
Beton
bezügl. Elastizitätsmodul
experimentell
Klebstoff; Glasumwandlung
Faser; bezügl. Festigkeit
Bauteilort
Haftzugversuch
induktiver Wegaufnehmer
„unten“
charakteristischer Wert
Lamelle; „links“
Messort
in Bauteilmitte; Mittelwert; mechanische
Messuhr
Kopfzeiger
* Kennzeichnung der Vorversuche
110
max
mess
min
N
nom
Q
r
s
sup
t
tot
u
V
w
y
maximal
gemessen
minimal
Messort
nominell
am Krafteinleitungsort
„rechts“
Stahl; Stempel
„oben“
Zug
total
Versagen
Bauteilort
Würfel
Fliessgrenze

Literatur
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