Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische ... - Ulaga Partner AG
Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische ... - Ulaga Partner AG
Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische ... - Ulaga Partner AG
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
<strong>Kohlenstofffaserverstärkte</strong> <strong>thermoplastische</strong> Lamellen<br />
für die Verstärkung von Betontragwerken<br />
Tomaž <strong>Ulaga</strong> 1)<br />
Urs Meier 2)<br />
Zürich, März 2002<br />
1) Dipl. Bauing. ETH, Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK),<br />
ETH Hönggerberg, 8093 Zürich<br />
2) Prof., EMPA Dübendorf, Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf
Inhaltsverzeichnis<br />
Zusammenfassung 5<br />
1 Einleitung 7<br />
1.1 Problemstellung 7<br />
1.2 Projektorganisation 8<br />
1.3 Zielsetzung und Vorgehen 8<br />
2 Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle 11<br />
2.1 Grundlagen 11<br />
2.1.1 Anlehnung an die Lamelle Sika CarboDur S512 11<br />
2.1.2 Die Komponenten des Faserverbundwerkstoffs 12<br />
2.1.3 Verfahren für die Lamellenherstellung 16<br />
2.2 Entwicklung 18<br />
2.2.1 Evaluierung der Fasern 18<br />
2.2.2 Evaluierung des Matrixwerkstoffs 20<br />
2.2.3 Zugscherversuche an verklebten Testlamellen 23<br />
2.2.4 Die „T700S + PA12“ - Lamelle 25<br />
3 Bauteilversuche 37<br />
3.1 Versuchsprogramm 37<br />
3.2 Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche 40<br />
3.2.1 Der Träger PS 40<br />
3.2.2 Versuchsdurchführung 44<br />
3.2.3 Versuchsresultate 49<br />
3.3 Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum 63<br />
3.3.1 Der Träger LV 63<br />
3.3.2 Versuchsdurchführung 66<br />
3.3.3 Versuchsresultate 71<br />
3.4 Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch 83<br />
3.4.1 Der Träger ET 83<br />
3.4.2 Versuchsdurchführung 86<br />
3.4.3 Kurzbeschreibung der Versuche an Balken 1 und B1 90<br />
3.4.4 Versuchsresultate 91<br />
4 Weitere Erkenntnisse 103<br />
4.1 Aufrollversuch 103<br />
4.2 Haftzugversuch 105<br />
Verdankungen 107<br />
Bezeichnungen 109<br />
Literatur 111<br />
3
Zusammenfassung<br />
Im Rahmen des KTI-Projektes 3795.1 haben die <strong>Partner</strong> EMPA Dübendorf, Sika<br />
(Schweiz) <strong>AG</strong> und Sulzer Composites eine neuartige kohlenstofffaserverstärkte Lamelle<br />
für die Verstärkung von Betonbauwerken entwickelt und geprüft. Bei den bisherigen<br />
Produkten besteht die Matrix aus einem duromeren Kunststoff, der wegen seiner beschränkten<br />
Aushärtungsgeschwindigkeit einen nur langsamen Herstellungsprozess ermöglicht.<br />
In der neuen Lamelle sind die Fasern in einem <strong>thermoplastische</strong>n Polymer<br />
eingebettet. Dieses Produkt kann schneller produziert werden und hat deshalb vor allem<br />
wirtschaftliche Vorteile gegenüber den marktüblichen Lamellen.<br />
In einer ersten Projektphase ging es um die Entwicklung der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle.<br />
Verschiedene Fasern und Kunststofftypen wurden bezüglich der technischen Eigenschaften,<br />
der Verarbeitbarkeit und der Wirtschaftlichkeit verglichen. Für die<br />
Untersuchungen der Applizierbarkeit mit einem Epoxidharzklebstoff wurden Zugscherversuche<br />
an verklebten Prototypen durchgeführt.<br />
Aufgrund dieser Voruntersuchungen wurden die Faser T700S und der <strong>thermoplastische</strong><br />
Matrixwerkstoff PA12 als aussichtsreichste Verbundpartner erachtet. Die aus diesen<br />
Komponenten hergestellte Lamelle hatte sowohl bezüglich der technischen<br />
Eigenschaften als auch bezüglich des Aussehens eine recht grosse Ähnlichkeit zu bereits<br />
etablierten Produkten.<br />
Für die Untersuchung der Einsatztauglichkeit im Bauwesen wurden drei Typen von<br />
praxisrelevanten Bauteilversuchen durchgeführt.<br />
Die Versuchskörper der Serie PS waren Betonbalken mit einer Spannweite von<br />
2.1 m, die Biegezugzone war mit je zwei CFK-Lamellen verstärkt. Die Träger wurden<br />
im Vierpunkt-Biegeversuch geprüft, um die Wirkung der Lamellen zu erfassen. Die<br />
Versuche konnten die Verstärkungswirkung der neuartigen Lamelle im statisch durchgeführten<br />
Kurzzeitversuch bestätigen sowie ein gewisses Verbesserungspotenzial aufzeigen.<br />
Das Verhalten bei Langzeitbeanspruchungen wurde mit den Versuchen der Serie LV<br />
untersucht. Die mit einer Lamelle in der Biegezugzone verstärkten Träger hatten eine<br />
Spannweite von 2.3 m und waren einer permanent wirkenden, hohen Biegebeanspruchung<br />
ausgesetzt. Die Temperatur und die Feuchtigkeit wurden während etwa einem<br />
Jahr schrittweise erhöht und danach ein weiteres Jahr bei 55°C und 80% rel. F. belassen.<br />
Schon zu Beginn dieser anspruchsvollen Klimastufe versagte der mit dem herkömmlichen<br />
Produkt Sika CarboDur S512 verstärkte Versuchskörper infolge Erweichung des<br />
Klebstoffs Sikadur-30. Der mit der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle verstärkte Träger zeigte<br />
- trotz der Verwendung des gleichen Klebstoffs - bis Ende des Beobachtungszeitraums<br />
keine Anzeichen, die auf ein Versagen hindeuteten. Die Versuche konnten zeigen, dass<br />
beide Verstärkungssysteme ein günstiges Langzeitverhalten aufweisen, solange die<br />
produktebedingten klimatischen Grenzen eingehalten werden.<br />
Das Ermüdungsverhalten der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle wurde im Versuch ET untersucht.<br />
Ein Plattenbalken mit 6 m Spannweite wurde mit vier Lamellen verstärkt und<br />
5
insgesamt 10 Millionen Lastzyklen ausgesetzt, wobei während der zweiten Hälfte dieser<br />
Ermüdungsphase eine Luftfeuchtigkeit von 95% herrschte. Danach wurde die Last statisch<br />
erhöht, bis das Trägerversagen erreicht war. Der Versuch zeigte, dass die neue<br />
<strong>thermoplastische</strong> Lamelle bezüglich der Ermüdungsempfindlichkeit ähnlich unsensibel<br />
ist, wie die handelsüblichen CFK-Lamellen.<br />
Die Versuche an den wirklichkeitsnahen Betonbauteilen haben gezeigt, dass die<br />
<strong>thermoplastische</strong> Lamelle – eingesetzt als geklebte Bewehrung – sehr ähnlich wirkt, wie<br />
das zu Vergleichszwecken beigezogene marktübliche Produkt. Die unterschiedliche<br />
Steifigkeit führte erwartungsgemäss zu geringen Abweichungen im quantitativ erfassten<br />
Versuchsverlauf.<br />
Aufgrund dieser Resultate kann die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle als gleichwertig zu den<br />
gängigen Produkten eingestuft werden. Sie eignet sich also für die langfristige (oder<br />
kurzfristige) Verstärkung von Betontragwerken unter statischer Last oder Wechsellast,<br />
wobei bezüglich den klimatischen Bedingungen die gleichen Einschränkungen gelten<br />
wie bei den duromeren Lamellen.<br />
Neben der mechanischen Wirkungsweise wurde auch die für die Praxis wichtige<br />
Handhabbarkeit untersucht. Hierbei konnten gewisse Schwächen bezüglich der Kriechneigung<br />
der PA12-Matrix bei erhöhten Temperaturen sowie bezüglich der interlaminaren<br />
Zugfestigkeit festgestellt und behoben werden. Aus den hierbei gemachten<br />
Erkenntnissen folgt, dass ein Mindestmatrixgehalt eingehalten werden muss, damit<br />
diese die Funktion der Faserfixierung erfüllen kann.<br />
6
1 Einleitung<br />
1.1 Problemstellung<br />
Viele der heute bestehenden Betonbauten befinden sich im Mittelbereich der ursprünglich<br />
vorgesehenen Nutzungsdauer. Nach Jahren der Alterung machen sich oft Projektierungs-<br />
und Ausführungsfehler bemerkbar oder es entsteht das Bedürfnis, das Tragwerk<br />
zu verändern um es danach für einen anderen Zweck als bis anhin zu nutzen. Eine<br />
Überprüfung ergibt, dass in Anbetracht dieser Umstände einige Tragwerksteile den an<br />
sie gestellten Anforderungen nicht mehr genügen und daher verstärkt werden müssen.<br />
Eine seit Mitte der 90er Jahre übliche Verstärkungsmethode ist das Ankleben kohlenstofffaserverstärkter<br />
Kunststofflamellen (CFK-Lamellen) als Ergänzung der innenliegenden<br />
Stahlbewehrung zur Erhöhung des Biegewiderstands. Die Grundlagen dieses<br />
Verfahrens wurden in den 80er Jahren an der EMPA Dübendorf geschaffen. Die beeindruckenden<br />
Resultate führten zu intensiven Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an<br />
dieser Anstalt und an verschiedenen Institutionen weltweit. Seit dem Durchbruch in der<br />
Praxis ist das Verlangen nach CFK-Lamellen stetig gestiegen, eine Tendenz, die weiterhin<br />
anhält.<br />
Einige der ersten Anwendungen wurden mit einer Lamelle realisiert, die von der<br />
Schweizer Firma Stesalit <strong>AG</strong> (Zullwil, SO) entwickelt und produziert wurde (z.B. Verstärkung<br />
der Holzbrücke bei Sins, Meier et al. [18] ). Das heute von der Sika <strong>AG</strong> vertriebene<br />
Verstärkungssystem Sika CarboDur umfasst verschiedene Lamellentypen,<br />
diese entsprechen aber im wesentlichen immer noch dem damals verwendeten Produkt:<br />
Die streifenförmigen Lamellen bestehen zu etwa 70% aus unidirektional angeordneten<br />
Kohlenstofffasern, die in eine Epoxidharzmatrix eingebettet sind und von dieser zusammengehalten<br />
werden. Bei der Herstellung wird das Aushärten der Matrix zum geschwindigkeitslimitierenden<br />
Prozess, so dass nur eine bescheidene<br />
Herstellungsgeschwindigkeit, begleitet von entsprechend hohen Produktionskosten, erreicht<br />
werden kann.<br />
Mit einem schnelleren Herstellungsprozess könnte eine kostengünstigere Lamelle<br />
produziert werden. Eine Möglichkeit, um dies zu erreichen, wäre der Ersatz des duroplastischen<br />
durch einen <strong>thermoplastische</strong>n Matrixwerkstoff. Die Erstarrung dieser<br />
Kunststoffe kann um Grössenordnungen schneller ablaufen als die Vernetzung der bisher<br />
verwendeten Epoxidharzsysteme.<br />
7
Einleitung<br />
1.2 Projektorganisation<br />
Projektbeteiligte: EMPA Dübendorf (im Folgenden genannt EMPA)<br />
CH - 8600 Dübendorf<br />
Unterstützung durch:<br />
als:<br />
Projektbeginn:<br />
Projektende:<br />
Sika (Schweiz) <strong>AG</strong> (im Folgenden genannt Sika)<br />
CH - 8048 Zürich<br />
Sulzer Markets and<br />
Technology <strong>AG</strong>,<br />
Sulzer Composites 1) (im Folgenden genannt Sulzer)<br />
CH - 8401 Winterthur<br />
1) vormals Sulzer Innotec <strong>AG</strong>, Gruppe Faserverbundwerkstoffe<br />
Kommission für Technik und Innovation (KTI)<br />
KTI-Projekt 3795.1: Verstärkung von Bauwerken mit<br />
kohlenstofffaserverstärkten <strong>thermoplastische</strong>n Polymerbändern<br />
1998<br />
2001<br />
1.3 Zielsetzung und Vorgehen<br />
Das Ziel des KTI-Projektes 3795.1 war die Entwicklung einer <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle<br />
für die Biegeverstärkung von Betontragwerken, die bezüglich ihrer Eigenschaften<br />
vergleichbar ist mit den bereits auf dem Markt etablierten Produkten, der Herstellungsprozess<br />
aber schneller und damit kostengünstiger.<br />
Entsprechend den aus der Zielbeschreibung folgenden Projektphasen wurden die<br />
Aufgabenbereiche unter den Projektpartnern verteilt: die Sulzer war federführend zuständig<br />
für die Entwicklung der Lamelle, die EMPA übernahm die Durchführung von<br />
Bauteilversuchen zur Untersuchung der Wirksamkeit und die Sika prüfte die Eignung<br />
8
Zielsetzung und Vorgehen<br />
verschiedener Klebstoffe und koordinierte den Gang der Arbeiten hinsichtlich einer<br />
später folgenden Markteinführung.<br />
Im Rahmen der Lamellenentwicklung war das erste Teilziel die Zusammenstellung<br />
und Evaluierung verschiedener Kohlenstofffasern und Matrixwerkstoffe, die sowohl in<br />
technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht eine sinnvolle Kombination versprachen.<br />
Schon von Beginn an wurde beachtet, dass für die Kraftübertragung zwischen der<br />
Lamelle und dem zu verstärkenden Bauteil ein ausreichender Verbund mit dem für die<br />
Applikation vorgesehenen Klebstoff erreicht werden muss. Hierbei wurde gefordert,<br />
dass dieser Verbund bessere Festigkeitseigenschaften aufweist als das Betongefüge des<br />
zu verstärkenden Bauteils und dadurch nicht zum kritischen Element im System wird.<br />
Schliesslich liessen sich die Anforderungen an das neue Produkt zu drei Hauptpunkten<br />
zusammenfassen:<br />
� Schnell und wirtschaftlich produzierbare Lamelle mit <strong>thermoplastische</strong>r Matrix.<br />
� Ähnlichkeit zu bereits auf dem Markt etablierten Produkten (bezüglich der technischen<br />
Eigenschaften, der Applikation und des Aussehens).<br />
� Ausreichende Verbundfestigkeit zum favorisierten Klebstoff.<br />
Zur Untersuchung der Wirksamkeit waren Versuche an wirklichkeitsnahen Bauteilen<br />
vorgesehen. Das Versuchsprogramm wurde so zusammengestellt, dass einige wichtige<br />
Fragen betreffend dem neuen Material beantwortet werden konnten. Folgende Aspekte<br />
standen hierbei im Vordergrund:<br />
� Kann die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle gleich appliziert werden, wie die bisherigen Produkte?<br />
� Wie verhält sich ein mit <strong>thermoplastische</strong>r Lamelle verstärkter Träger...<br />
...bei statischer Beanspruchungserhöhung bis zum Versagen?<br />
...bei Langzeitbeanspruchung mit erhöhten klimatischen Anforderungen?<br />
...bei einer hohen Anzahl von Lastwechseln kombiniert mit erhöhter Feuchtigkeit?<br />
� Gibt es spezielle Berechnungs- oder Bemessungsregeln für Träger, die mit einer<br />
<strong>thermoplastische</strong>n Lamelle verstärkt sind?<br />
Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften war die Durchführung einfacher<br />
Werkstoffprüfungen geplant. Der Projektpartner Sika übernahm die Duchführung von<br />
Zugscherversuchen für die Kontrolle der Verbundfestigkeit Lamelle-Klebstoff und von<br />
Aufroll- sowie Haftzugversuchen zur Prüfung der Handhabbarkeit.<br />
Parallel zum Versuch mit der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle war stets auch ein Versuch<br />
mit dem handelsüblichen Produkt Sika CarboDur S512 vorgesehen. So konnten die<br />
Resultate verglichen und die Wirkung der neuen Lamelle beurteilt werden.<br />
9
2 Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
2.1 Grundlagen<br />
2.1.1 Anlehnung an die Lamelle Sika CarboDur S512<br />
In den vergangenen Jahren haben sich mehrere Produktreihen von CFK-Lamellen auf<br />
dem Markt etabliert. Die Geometrie und die Eigenschaften sind auf den Verwendungszweck<br />
als Klebebewehrung abgestimmt, deshalb sind diese Produkte weitgehend miteinander<br />
vergleichbar.<br />
Die Sika vertreibt das Verstärkungssystem Sika CarboDur, das aus einer Palette verschiedener<br />
CFK-Lamellen besteht. Die einzelnen Typen haben unterschiedliche Abmessungen<br />
und Steifigkeiten, so dass je nach Anwendung das geeignetste Produkt<br />
gewählt werden kann.<br />
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle sollte sich nahtlos in die bestehende Marktpalette eingliedern.<br />
Aus diesem Grund wurde eine möglichst grosse Ähnlichkeit zur Lamelle<br />
CarboDur S512 angestrebt, welche die weltweit meistverwendete der von der Sika vertriebenen<br />
Lamellen ist.<br />
Eigenschaften der Lamelle CarboDur S512<br />
Die Lamelle CarboDur S512 besteht aus Kohlenstofffasern (T700S von Toray), die in<br />
eine Epoxidharzmatrix gebettet sind und mindestens 68% der Querschnittsfläche ausmachen.<br />
Die Bezeichnung „S512“ gibt Angaben über die Eigenschaften und Abmessungen<br />
des Produkts: „S“ gibt die Steifigkeitskategorie der Lamelle an („Standard“) und<br />
„512“ steht für die Querschnittsabmessungen von 50·1.2 mm2 . Tabelle 1 enthält eine<br />
Zusammenstellung der wichtigsten Eigenschaften.<br />
Breite Dicke Zugfestigkeit E-Modul Bruchdehnung<br />
bl tl flu, min flu, m El, m εlu, min<br />
[mm] [mm] [MPa] [MPa] [GPa] [‰]<br />
50 1.2 2800 3050 165 17<br />
Tabelle 1: Eigenschaften der Lamelle CarboDur S512 (nach Sika [21])<br />
Für die Applikation der Lamellen wird üblicherweise ein Epoxidharzklebstoff verwendet.<br />
Auch davon gibt es eine Vielfalt von Produkten mit unterschiedlichen Eigenschaften.<br />
Für das Ankleben der Lamelle Sika CarboDur-Lamellen wird in den meisten Fällen<br />
der Armierungsklebstoff Sikadur-30 eingesetzt. Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle sollte<br />
11
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
deshalb ebenfalls so beschaffen sein, dass sie mit diesem Klebstoff appliziert werden<br />
kann.<br />
Eigenschaften des Armierungsklebstoffs Sikadur-30<br />
Der Klebstoff wird aus den zwei Komponenten A (Harz) und B (Härter) im Massenverhältnis<br />
3:1 angerührt. Nach dem Mischen von A und B bleibt die Konsistenz während<br />
etwa einer Stunde viskos, so dass der Klebstoff in dieser Zeit verarbeitet werden kann.<br />
Beide Komponenten sind mit Quarzsand vermischt, der im ausgehärteten Klebstoff als<br />
Zuschlag wirkt und dadurch eine hohe Schwind- und Kriechresistenz ermöglicht. In<br />
Tabelle 2 sind die technischen Eigenschaften zusammengestellt. In Kapitel 2.2.4 folgen<br />
Angaben zum Zusammenhang zwischen der Steifigkeit und der Umgebungstemperatur.<br />
Druckfestigkeit<br />
fg<br />
Zugfestigkeit<br />
fgt<br />
Druck-E-Modul<br />
Eg<br />
Glasumwandlungstemperatur<br />
[MPa] [MPa] [GPa] [°C]<br />
90...100 ca. 30 12.8 62<br />
Tabelle 2: Eigenschaften des Klebstoffs Sikadur-30 (nach Sika [21])<br />
2.1.2 Die Komponenten des Faserverbundwerkstoffs<br />
Die Faser<br />
Funktion und Eigenschaften<br />
Die Faser ist die Komponente, die die mechanischen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffs<br />
bestimmt. Handelt es sich dabei um eine Lamelle, sind die Fasern „endlos“<br />
lang und parallel (unidirektional, UD) zur Längsrichtung angeordnet. Bezüglich<br />
dieser Richtung entsprechen sich Steifigkeit und Festigkeit der aufsummierten Fasern<br />
und des fertigen Produkts in guter Näherung.<br />
Für die Verarbeitung zu Lamellen werden technisch hergestellte Endlosfasern (Filamente)<br />
benutzt, die in Form von aufgewickelten, parallellaufenden Fadenbündeln vom<br />
Hersteller geliefert werden. Ein solcher Roving wird z.B. als 24k-Roving bezeichnet,<br />
wenn er aus 24000 Filamenten besteht.<br />
Bei der Herstellung der Filamente werden diese mit einer Schlichte versehen, die sie<br />
vor Beschädigungen während der Verarbeitung (z.B. durch Reibung an Umlenkstellen)<br />
schützt. Die Schlichte kann die Haftung zur Matrix verbessern oder verschlechtern, je<br />
nach Art von Schlichte und Matrixwerkstoff.<br />
Verschiedene Faserarten<br />
Für die Verstärkung von Kunststoffen werden in der Regel anorganische Fasern wie<br />
Kohlenstoff- und Glasfasern oder synthetische Fasern verwendet (z.B. Aramidfasern).<br />
12<br />
Tg
Grundlagen<br />
Für spezielle Anwendungen werden auch metallische, keramische oder Bor-Fasern verarbeitet,<br />
darauf wird aber im Folgenden nicht weiter eingegangen.<br />
In Tabelle 3 sind die technischen Eigenschaften der wichtigsten Faserarten zusammengetragen<br />
und den entsprechenden Werten von Stahl gegenübergestellt. Man erkennt,<br />
dass diese Fasern ähnliche Festigkeitseigenschaften besitzen wie Stahl. Eine höhere<br />
Steifigkeit erreichen aber nur die Kohlenstofffasern.<br />
Faser<br />
Filamentdurchmesser<br />
Øf<br />
Dichte<br />
ρf<br />
Zugfestigkeit<br />
ffu<br />
E-Modul<br />
[µm] [g/cm 3 ] [MPa] [GPa]<br />
Glasfasern 1) 7...10 2.50...2.55 1800...3900 73...87<br />
Aramidfasern 1) 12 1.44 2500...3000 70...130<br />
Kohlenstofffasern 2) 4.8...7.0 1.70...1.94 1800...7300 180...820<br />
Stahlfasern 1) 5...250 7.80 1800...4200 210<br />
1) nach Meier [19]<br />
2) nach Flemming et al. [11]<br />
Tabelle 3: Mechanische Eigenschaften verschiedener Faserarten<br />
Die Glasfasern bestehen aus einem dreidimensionalen Netzwerk von Sauerstoff- und<br />
Siliziumatomen mit amorpher Struktur. Dadurch besitzt die Faser isotrope Eigenschaften.<br />
Die guten Festigkeitswerte und der (bei einigen Glassorten) recht tiefe Preis hat zu<br />
einer grossen Verbreitung der Glasfaser für verschiedene Anwendungen geführt.<br />
Die Glasfaser hat aber auch Nachteile, die die Einsatzmöglichkeiten einschränken.<br />
Für eine genauere Betrachtung müssten hierbei die unterschiedlichen Glasfasersorten<br />
unterschieden werden, darauf wird aber im Folgenden verzichtet und stattdessen eine<br />
Sammlung von möglichen Problemen aufgelistet (nach Flemming et al. [11], Michaeli<br />
und Wegner [17], Hull and Clyne [13], Eckold [8] und Daniel and Ishai [3]):<br />
� Bescheidene Steifigkeit<br />
� Beträchtliche Reduktion der in Tabelle 3 gegebenen Festigkeit infolge Schädigung bei<br />
der Weiterverarbeitung<br />
� Linearelastisches Verhalten bei Kurzzeitbeanspruchungen, viskoelastisches Verhalten<br />
bei Langzeitbeanspruchungen<br />
� Geringe Resistenz gegenüber Ermüdungsbeanspruchungen<br />
� Neigung zur Spannungsrisskorrosion bei moderatem Beanspruchungsniveau<br />
� Mangelnde Beständigkeit beim Kontakt mit verschiedenen Medien und Chemikalien<br />
(Säuren, Basen aber auch z.B. reines Wasser)<br />
� Schädigung bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht<br />
Viele dieser potenziellen Nachteile stehen in einem direkten Konflikt mit den Anforderungen,<br />
die an die zu entwickelnde Lamelle gestellt werden. Aus diesem Grund<br />
wird die Verwendung von Glasfasern nicht weiter in Betracht gezogen.<br />
Ef<br />
13
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Die Aramidfaser besteht aus Amidgruppen und aromatischen Ringen, die in Faserrichtung<br />
orientiert sind. Dadurch entsteht ein anisotropes Gebilde mit guten mechanischen<br />
Eigenschaften in Längsrichtung. Als besondere Qualität der Aramidfasern (z.B.<br />
KevlarTM ) gilt das hohe Energieaufnahmevermögen infolge ausgeprägter Faserverformbarkeit<br />
(z.B. Biegeradien im Bereich weniger Faserdurchmesser).<br />
Die Nachteile, die die Anwendungsmöglichkeiten der Aramidfaser einschränken,<br />
sind im Folgenden aufgeführt (nach Flemming et al. [11], Michaeli und Wegner [17],<br />
Hull and Clyne [13], Eckold [8] und Daniel and Ishai [3]):<br />
� geringere Steifigkeit als Stahl<br />
� beschränkte Druckbeanspruchung möglich (daher z.B. Mikroschädigungen bei Wicklung)<br />
� hohe Wasserabsorption führt zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften<br />
� Dauerbeanspruchungen führen zu von Mikroporen ausgehendem Risswachstum, das<br />
zu plötzlichem Versagen führen kann<br />
� z.T. geringe Beständigkeit in saurem Milieu<br />
� Festigkeitsverlust bei Bestrahlung mit natürlichem Sonnenlicht<br />
Auch die Aramidfaser birgt einige mögliche Probleme und wird daher für die Verarbeitung<br />
zur Lamelle nicht weiter berücksichtigt.<br />
Kohlenstofffasern sind aus Graphitschichten aufgebaut und besitzen eine ausgeprägte<br />
Anisotropie. Die parallel zur Faser laufenden Schichtstrukturen verleihen dieser Richtung<br />
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, quer dazu werden allerdings nur bescheidene<br />
Werte erreicht.<br />
Während die heute gebräuchlichen Kohlenstofffasern meist aus Polyacrylnitrilfasern<br />
(PAN-Fasern) produziert werden, ist in den nächsten Jahren ein Umstieg auf Pech als<br />
kostengünstigeres Ausgangsmaterial denkbar. Unterschiedliche Ausgangsstoffe und<br />
Verfahren ermöglichen die Herstellung von verschiedenen Kohlenstoffasertypen. Die<br />
HT-Fasern (high tenacity) haben eine hohe Festigkeit und werden vor allem wegen ihres<br />
verhältnismässig tiefen Preises oft eingesetzt. Verlangt die Anwendung dagegen eine<br />
hohe Steifigkeit, können die teureren HM-Fasern (high modulus) verwendet werden. Ein<br />
hohes Arbeitsaufnahmevermögen kann mit HST-Fasern (high strain and tenacity) erreicht<br />
werden und die IM-Fasern (intermediate modulus) liegen bezüglich der Eigenschaften<br />
zwischen den HST- und den HM-Fasern.<br />
Kohlenstofffasern haben unter Längsbeanspruchung einen quasi linearen Spannungs-<br />
Dehnungs-Verlauf. Neben den mechanischen Qualitäten besitzen diese Fasern auch andere<br />
interessante physikalische Eigenschaften. Dazu gehören zum Beispiel die elektrische<br />
Leitfähigkeit und der negative Wärmeausdehnungskoeffizient, beides wiederum<br />
einer ausgeprägten Anisotropie unterliegend.<br />
14
Grundlagen<br />
Die Matrix<br />
Funktion und Eigenschaften<br />
Die Matrix hält die Fasern eines Faserverbundwerkstoffs zusammen, damit diese ihre<br />
Verstärkungsfunktion erfüllen können. Diese Aufgabe umfasst drei Punkte: Fixieren der<br />
Fasern in der gewählten geometrischen Anordnung, Kräfteübertragung auf die Fasern<br />
und zwischen den Fasern sowie das Stützen der Fasern bei Druckbeanspruchungen. Da<br />
die Matrix die Fasern vollständig einbettet und gegenüber der Umgebung versiegelt,<br />
dient sie auch als Schutz vor schädigenden äusseren Einwirkungen (z.B. Angriff durch<br />
Feuchtigkeit, Chemikalien oder Strahlung).<br />
Verschiedene Matrixtypen<br />
Je nach Auslegung des Begriffs „Faserverbundwerkstoff“ können sehr viele Werkstoffe<br />
als Matrixmaterial betrachtet werden, so zum Beispiel auch Beton oder Metalle. Im<br />
Sinne der kunststofftechnologischen Definition sind aber aussschliesslich polymere<br />
Werkstoffe gemeint, auf andere Materialien wird daher nicht weiter eingegangen.<br />
In der bisherigen Geschichte der Faserverbundwerkstoffe wurden vor allem duromere<br />
Kunststoffe als Matrixmaterial verwendet. Die Duromere entstehen durch eine<br />
Härtungs- bzw.Vernetzungsreaktion aus niedermolekularen Monomeren. Nach diesem<br />
chemischen Prozess sind die Moleküle dreidimensional vernetzt, so dass der Werkstoff<br />
thermisch nicht mehr verformt werden kann. Unter den wichtigsten Vertretern der Duromere<br />
findet man die ungesättigten Polyesterharze, Vinylesterharze, Phenolharze und<br />
die für die Herstellung der im Bauwesen eingesetzten Lamellen Sika CarboDur verwendeten<br />
Epoxidharze. Auf die erstgenannten dieser Duromere wird nicht näher eingegangen.<br />
Epoxidharze entstehen durch die Polyadditionsreaktion (Härtung bzw. Vernetzung)<br />
eines Harzes (Epoxid) mit einem Härter (Amine, Phenole oder Säuren). Die gute Eignung<br />
als Matrixwerkstoff kommt daher, dass die niedermolekularen Präpolymere eine<br />
geringe Viskosität besitzen und sich deshalb sehr gut zur Faserimprägnierung eignen,<br />
während der ausgehärtete Werkstoff gute mechanische Eigenschaften aufweist. Durch<br />
die Wahl der Komponenten Harz und Härter können diese Merkmale sowie auch der<br />
Härtungsverlauf gesteuert werden. Der bezüglich der Produktion wichtigste Nachteil ist<br />
die beschränkte Vernetzungsgeschwindigkeit, die keine besonders schnelle Herstellung<br />
erlaubt.<br />
Thermoplastische Kunststoffe gewinnen je länger je mehr an Bedeutung für die Herstellung<br />
von Faserverbundwerkstoffen. Bei diesen Kunststoffen liegt das Grundmaterial<br />
in bereits vollkommen polymerisierter Form vor. Zur Verarbeitung wird es erwärmt bis<br />
in den Schmelzezustand, umgeformt und wieder abgekühlt bis zur Erstarrung. Dieser<br />
Vorgang ermöglicht eine hohe Prozessgeschwindigkeit.<br />
Zur genaueren Beschreibung der Eigenschaften der Thermoplaste müssten die einzelnen<br />
Vertreter gesondert betrachtet werden. Viele besitzen aber gute mechanische Eigenschaften,<br />
eine gute Medienbeständigkeit und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme.<br />
Allen gemeinsam ist die thermische Schweissbarkeit und die Wiederverwertbarkeit der<br />
Abfälle. Zu den wichtigsten Nachteilen zählen die Kriechneigung bei höheren Temperaturen<br />
und die wegen der hohen Viskosität der Schmelze schwierige Faserimprägnierung.<br />
15
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
2.1.3 Verfahren für die Lamellenherstellung<br />
Die Sulzer betreibt seit 1996 eine selbst konzipierte Imprägnierungsanlage (Vodermayer<br />
et al. [22]) für die Herstellung der <strong>thermoplastische</strong>n Faserverbundwerkstoffe<br />
SUPreMTM (Sulzer Prepreg Material, Kärger und Vodermayer [14]).<br />
Die erste Ausführung dieser Anlage konnte Rovings mittels Pulverimprägnierverfahren<br />
zu maximal 25 mm breiten und ca. 0.1 mm dicken Tapes verarbeiten. In einer<br />
zweiten Phase wurden diese Tapes durch eine Konsolidierungsanlage geführt, wo sie<br />
neben- und aufeinander zu Lamellen verpresst wurden. 1999 wurde die Gesamtanlage<br />
verbessert und erweitert. Die seither zur Verfügung stehende Imprägnierungsanlage<br />
kann Tapes mit einer Breite bis 300 mm herstellen, so dass der Querschnitt in Querrichtung<br />
keine schwächende Stossfuge mehr aufweist. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau<br />
dieser Anlage. Die Konsolidierungsanlage ist in Bild 2 dargestellt.<br />
Bild 1: Schematischer Aufbau der Imprägnierungsanlage der Sulzer Composites<br />
Die Faserbereitstellung ist die erste Stufe der Imprägnierungsanlage. Hier werden die<br />
zu Rovings gebündelten Fasern unter leichter Spannung von den Spulen abgewickelt<br />
und vor dem Eintritt in die Anlage zusammengeführt.<br />
Das Imprägnierbecken besteht aus einem Wasserbad, in welchem der pulverförmige<br />
Matrixwerkstoff (Polymer) mit Hilfe von Dispersionsmitteln und einem Rührwerk in<br />
Schwebe gehalten wird. Die Fasern werden über mehrere Umlenkbolzen durch das Bad<br />
geführt, damit sich das Pulver regelmässig im Faserzwischenraum verteilt (Vodermayer<br />
et al. [22]).<br />
Im Trockenofen wird das Wasser mit dem Dispersionsmittel aus dem Faser-Polymergefüge<br />
entfernt und einer Abluftanlage zugeführt.<br />
16
Grundlagen<br />
Das trockene Faser-Polymergefüge durchläuft anschliessend eine Serie von Schmelzöfen<br />
und Formgebungswalzen. Das Polymer verschmilzt zur Matrix und wird zusammen<br />
mit den Fasern in die gewünschte Tapeform gebracht. Wegen der walzenförmigen<br />
Formgebungswerkzeuge wird die gesamte Herstellung auch als Rolltrusion bezeichnet.<br />
Der Bandabzug zieht die Fasern bzw. das Tape durch die Anlage. Ein Sensor im Bereich<br />
der Faserbereitstellung kontrolliert die Einhaltung einer Minimalspannung, die für<br />
das Erreichen einer guten Tapequalität nötig ist. Bei zu hoher Spannung kommt es aber<br />
zu starkem Abrieb bei den Werkzeugen und an den Umlenkstellen.<br />
Am Ende der Anlage wird das fertiggestellte Tape auf Spulen aufgewickelt.<br />
Bild 2: Konsolidierungsanlage der Sulzer Composites<br />
17
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Das mit der Imprägnierungsanlage hergestellte Tape ist das Ausgangsmaterial für die<br />
Lamellenherstellung. Am Anfang der Konsolidierungsanlage wird das Tape von den<br />
Spulen abgerollt und in die Anlage hineingeführt (Tapebereitstellung).<br />
Im Schmelzofen wird das Matrixmaterial wieder aufgeschmolzen, damit die Tapes<br />
untereinander verschweisst werden können.<br />
Die Doppelbandpresse ist das eigentliche Konsolidierungswerkzeug (Formgebungswerkzeug).<br />
Die Tapes mit aufgeschmolzener Matrix treten am vorderen Ende ein<br />
und werden unter Abkühlung in die gewünschte Form (Lamelle) gepresst. Damit die<br />
Wärme über die Stahlbänder der Presse abgeführt werden kann, müssen diese eine ausreichende<br />
Lauflänge ausserhalb der Pressstrecke haben.<br />
Wenn die Lamelle mit einer Beschichtung versehen werden soll, kann dieser Arbeitsschritt<br />
hinter der Doppelbandpresse angehängt werden (im Rahmen des Projektes<br />
wurde keine solche Beschichtung verwendet).<br />
Der Bandabzug treibt die Tapes bzw. die Lamelle durch die Anlage (wie bei der Imprägnieranlage).<br />
Das fertige Produkt wird am Ende der Anlage aufgewickelt.<br />
2.2 Entwicklung<br />
2.2.1 Evaluierung der Fasern<br />
Voraussetzungen für die Eignung als Lamellenverstärkung<br />
Damit die dünne und schmale Lamelle ihre Funktion als Bauwerksverstärkung erfüllen<br />
kann, muss sie möglichst hohe Kräfte aufnehmen und übertragen können. Mit einer<br />
steifen Lamelle können – bei geringen Dehnungen – hohe Kräfte übertragen werden, die<br />
zugehörige Kraftaufnahme verursacht aber hohe Schubspannungen und kann so zu Festigkeitsproblemen<br />
führen. Die Festlegung der sinnvollsten Lamellensteifigkeit ist demnach<br />
ein Optimierungsproblem, das einen gewissen Spielraum zulässt.<br />
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle sollte bezüglich der technischen Eigenschaften ähnlich<br />
sein wie die Lamelle Sika CarboDur S512. Um eine ausreichende Näherung zu erreichen,<br />
können höher- oder tiefermodulige Fasern eingesetzt und die Endsteifigkeit mittels<br />
Variation der Rovingzahl gesteuert werden.<br />
Die Faserfestigkeit ist von zweitrangiger Bedeutung. Alle in Betracht gezogenen<br />
Produkte erreichen hohe Werte, so dass ein Zugbruchversagen der Lamelle nicht erwartet<br />
werden muss. Entsprechend den Erfahrungen mit solchen Verstärkungssystemen<br />
(z.B. Deuring [4], Kaiser [15]) versagen diese in der Regel durch Abschälen der Lamelle<br />
nach lokaler Schubfestigkeitsüberschreitung.<br />
Die Rovinglänge hat im Rahmen der Herstellung eine grosse Bedeutung. Das Wechseln<br />
der Rovingspulen und Wiedereinfädeln in die Maschine ist ein aufwändiger Arbeitsvorgang,<br />
so dass lange Einheiten bevorzugt werden.<br />
Die Rovinggrösse kann einen Einfluss haben auf die Qualität des Endproduktes.<br />
Grosse Faserbündel haben tendenziell mehr Verdrehungen pro Längeneinheit, die zu<br />
Unregelmässigkeiten im Querschnitt des „Endlosproduktes“ führen können.<br />
18
Entwicklung<br />
Wenn die Faserqualität innerhalb eines Rovings streut, kommt es zu Abrieb bei der<br />
Verarbeitung. Hierbei reissen einzelne Filamente und bilden Flusen bei den Umlenkstellen<br />
und Werkzeugen der Fertigungsanlage.<br />
Die von den Herstellern gelieferten Kohlenstofffasern sind mit einer Schlichte versehen,<br />
die meist für einen guten Verbund zu Duromeren konzipiert ist. Für eine befriedigende<br />
Haftung mit einem <strong>thermoplastische</strong>n Matrixwerkstoff muss diese Schlichte<br />
unter Umständen entfernt bzw. ersetzt werden.<br />
Damit das Endprodukt (Lamelle) wirtschaftlich interessant ist, ist die Verwendung<br />
einer günstigen Faser sinnvoll. Eine kurze Rovinglänge oder eine für die Weiterverarbeitung<br />
ungeeignete Schlichte kann aber die Endkosten gegenüber einer anfänglich teureren<br />
Faser wieder erhöhen.<br />
Evaluierung<br />
Für die Entwicklung einer <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle wurden verschiedene Kohlenstofffasern<br />
bezüglich der mechanischen Eigenschaften, der Verarbeitbarkeit und der<br />
Wirtschaftlichkeit verglichen. Tabelle 4 enthält einen Überblick über die untersuchten<br />
Produkte. Die Einteilung in die Preisklassen dient als grobe Richtlinie für die Darstellung<br />
der Preissituation im Zeitraum von 1998 bis 2001.<br />
Für die Evaluierung wurden die Fasern bezüglich der vorangehend beschriebenen<br />
Eignungsmerkmale beurteilt. Zur Untersuchung der Verarbeitbarkeit wurden kleine<br />
Materialmengen mit der Imprägnierungsanlage verarbeitet.<br />
Hersteller Faser<br />
Fortafil<br />
(USA)<br />
Tenax (D)<br />
Grafil<br />
SGL Carbon<br />
Group (D)<br />
Toray<br />
(Japan)<br />
Fortafil 510<br />
Fortafil 502<br />
Tenax STS<br />
5631<br />
Grafil 34-600<br />
WD<br />
Rovinggrösse<br />
Rovinglänge Preisklasse<br />
Zugfestigkeit<br />
ffu<br />
Bruchdehnung<br />
εfu<br />
E-<br />
Modul<br />
[Anz.<br />
Fasern] [m] 1) [MPa] [%] [GPa]<br />
80 000<br />
40 000<br />
24 000<br />
48 000<br />
24 000<br />
1660 (5160)<br />
3320<br />
2500, 3700,<br />
5000<br />
1400<br />
2800<br />
m<br />
m<br />
Ef<br />
3800 1.6 231<br />
g 4000 1.5 240<br />
m<br />
m<br />
4000 1.7 234<br />
Sigrafil C30 3000 ~1.3 ~230<br />
T700S (50C)<br />
12 000<br />
24 000<br />
5000<br />
3600<br />
t<br />
t<br />
4900 2.1 230<br />
T1000G 12 000 t t 6370 2.1 294<br />
Zoltek (USA) Panex 33 48 000 1500 g 3800 1.7 228<br />
1) tt: sehr teuer; t: teuer; m: mittel; g: günstig<br />
Tabelle 4: Mögliche Kohlenstofffasern für die Herstellung einer <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle<br />
19
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Die Fortafil-Fasern hatten eine leichte Neigung zur Flusenbildung, konnten aber<br />
grundsätzlich erfolgreich verarbeitet werden. Wegen des im Vergleich zu anderen Produkten<br />
ungünstigen Festigkeits-Preis-Verhältnisses wurden aber diese Fasern nicht weiter<br />
in Betracht gezogen.<br />
Die preislich günstigen Tenax-Fasern konnten einwandfrei verarbeitet werden. Sie<br />
wurden schliesslich als mögliche Alternative zur ersten Wahl erachtet.<br />
Mit der Grafil-Faser gelang eine ähnlich gute Verarbeitung wie mit der Tenax-Faser.<br />
Die mechanischen Kennwerte sind ebenfalls ähnlich, der Preis der Grafil-Faser etwas<br />
höher und die Rovinglänge geringer. Die Grafil-Faser wurde deshalb leicht hinter der<br />
Tenax-Faser eingestuft.<br />
Das Produkt Sigrafil konnte ebenfalls gut mit der Imprägnierungsanlage verarbeitet<br />
werden. Da diese Faser aber eine verhältnismässig geringe Festigkeit und Bruchdehnung<br />
besitzt, war sie gegenüber den anderen Fasern nicht konkurrenzfähig.<br />
Mit der Faser T700S gelang eine einwandfreie Verarbeitung. Die Verfügbarkeit<br />
zweier verschiedener Rovinggrössen, beide fast verdrehungsfrei, erlaubt eine flexible<br />
Steuerung der Lamellensteifigkeit und die grosse Rovinglänge ermöglicht eine wirtschaftliche<br />
Verarbeitung. Die Ausführung 50C ist mit einem besonders geringen<br />
Schlichteanteilanteil (0.3%) versehen und verspricht deshalb eine sehr gute Haftung zu<br />
einer <strong>thermoplastische</strong>n Matrix. Wegen der beachtlichen Festigkeit wird trotz des höheren<br />
Preises ein gutes Preis-Leistungsverhältnis erzielt. Aus diesen Gründen wurde beschlossen,<br />
diese Faser für die Herstellung der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle einzusetzen.<br />
Die T1000-Fasern konnten ebenfalls gut verarbeitet werden. Dieses Produkt ist aber<br />
sehr teuer und daher wenig interessant für die Herstellung einer wirtschaftlichen Lamelle.<br />
Mit der Panex-Faser konnte keine befriedigende Verarbeitung durchgeführt werden.<br />
Die Rovings hatten viele Verdrehungen und zeigten eine starke Flusenbildung an den<br />
Umlenkstellen der Imprägnierungsanlage.<br />
2.2.2 Evaluierung des Matrixwerkstoffs<br />
Voraussetzungen für die Eignung als Matrixwerkstoff<br />
Unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg befinden sich die amorphen Bereiche eines<br />
Kunststoffes im eingefrorenen Zustand (Glaszustand) und verleihen dem Werkstoff dadurch<br />
gute mechanische Eigenschaften, wobei die dazugehörige Sprödigkeit in Kauf<br />
genommen werden muss. Wird diese Temperatur überschritten, können Steifigkeit und<br />
Festigkeit um ganze Grössenordnungen abnehmen. Dies gilt vor allem für Kunststoffe<br />
mit wenigen oder keinen kristallinen Bereichen.<br />
Bei der Beurteilung der Einsatztauglichkeit von Kunststoffen kann für viele Kunststoffe<br />
die Glasübergangstemperatur als thermische Grenze betrachtet werden, bis zu<br />
welcher das entsprechende Bauteil mechanisch beansprucht werden kann.<br />
20
Entwicklung<br />
Die Bedeutung der Absolutwerte der mechanischen Eigenschaften ist schwierig abzuschätzen.<br />
Die interlaminaren Kräfte beanspruchen die Matrix mehrachsial und sind<br />
vom Betrag her nicht genau bekannt, so dass ein Vergleich mit tabellierten Festigkeitsund<br />
Steifigkeitswerten kaum möglich ist.<br />
Damit bei der Lamellenherstellung (entsprechend den Ausführungen in Kapitel 2.1.3)<br />
eine gute Faserimprägnierung gelingt, muss der Matrixwerkstoff als feines Pulver<br />
(Korndurchmesser < 50 µm) vorliegen. Die Verarbeitung zu dieser Form ist – je nach<br />
Kunststoff – ein mehr oder weniger technologieintensiver und dadurch teurer Prozess.<br />
Der Preis des Kunststoffs hat eine grosse Bedeutung, da die zu entwickelnde <strong>thermoplastische</strong><br />
Lamelle vor allem wirtschaftliche Vorteile gegenüber den bisherigen Produkten<br />
haben soll. Es gilt zu beachten, dass die Verarbeitung zu feinem Pulver unter<br />
Umständen ein wesentlicher Kostenfaktor sein kann.<br />
Die Lamelle soll mit dem Epoxidharzklebstoff Sikadur-30 appliziert werden können.<br />
Da die Matrix den grössten Teil der Kontaktfläche ausmacht, sollte der Kunststoff eine<br />
möglichst gute Haftung zu Epoxidharzen aufweisen.<br />
Evaluierung<br />
Für die Herstellung einer für das Bauwesen geeigneten Lamelle wurden verschiedene<br />
<strong>thermoplastische</strong> Matrixwerkstoffe untersucht. In Tabelle 5 sind die in Betracht gezogenen<br />
Thermoplaste zusammengestellt (zu Vergleichszwecken ist auch Epoxidharz<br />
aufgeführt). Von einigen dieser Kunststoffe gibt es eine Vielzahl von Familien, die sich<br />
z.B. durch Modifikationen im Molekülaufbau oder durch einen unterschiedlichen Kristallinitätsgrad<br />
unterscheiden. Die Eigenschaften können dementsprechend stark variieren,<br />
so dass die Werte in Tabelle 5 nur als Richtgrössen zu verstehen sind. Die<br />
Einteilung in Preisklassen dient als grobe Übersicht über die von 1998 bis 2001 herrschenden<br />
Preisverhältnisse innerhalb dieser Kunststoffauswahl.<br />
PA12 erwies sich als gut geeignet für die Herstellung von Lamellen. Das Pulver war<br />
– bei vernünftigem Preis - in der gewünschten Grösse lieferbar und ermöglichte eine<br />
gute Faserimprägnierung. Dadurch wurde eine gute Lamellenqualität mit einwandfreier<br />
Fasereinbindung erzielt. Zur Ermittlung der Verbundfestigkeit mit Sikadur-30 wurden<br />
die ersten Lamellen damit verklebt und im Zugscherversuch geprüft (Tabelle 6). Die<br />
Haftung war besser als erwartet und konnte durch die Schaffung einer porösen Oberfläche<br />
(„Käsestruktur“) bei späteren Serien noch verbessert werden (Kapitel 2.2.4).<br />
Die Glasübergangstemperatur von PA12 ist relativ niedrig, liegt aber nahe bei dem<br />
von Sikadur-30. Da der Klebstoff in diesem Temperaturbereich viel heftiger reagiert<br />
(Bild 9), wirkt er als kritische Systemkomponente und rechtfertigt dadurch die Verwendung<br />
von PA12.<br />
PA12 wurde zum bevorzugten Matrixwerkstoff und konnte schliesslich erfolgreich<br />
zu Lamellen verarbeitet werden.<br />
21
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Kurzbez.<br />
Name<br />
Preisklasse<br />
(für<br />
Pulver)<br />
4)<br />
Klebbarkeit<br />
Struktur<br />
(teilkristallin/<br />
amorph)<br />
Glasübergangstemperatur<br />
Tg<br />
Wasseraufnahme<br />
bei 23°C,<br />
5O% r.F.<br />
Zugfestigkeit<br />
Reissdehnung<br />
[°C] [M.-%] [MPa] [%]<br />
E-Modul<br />
nach<br />
DIN 53457<br />
E<br />
[MPa]<br />
EP Epoxidharz g + a 50...150 0.1...0.5 55...80 2) 2800...4200<br />
PA12 Polyamid-12 m 0 t 60 0.5...0.7 3) 15...30 2) 250...300 2) 300...750<br />
PE Polyethylen gg - t -125...0 0.01...0.1 10...28 2) 300...600 2) 250...850<br />
PEI Polyetherimid tt + a 217 1.35 105 2) 10 2) 3000<br />
PMMA<br />
Polymethylmethacrylat<br />
t + a 0.3 74 2) 5 2) 3200<br />
PP Polypropylen g g - t -18...-10 < 0.1 32 2) 70 2) 1300<br />
PPS<br />
PVC<br />
Polyphenylensulfid<br />
Polyvinylchlorid<br />
PVDF Polyvinylidenfluorid<br />
t 0 t 88 0.03 75 2) 5 2) 4400<br />
g + a 82 < 0.2 58...74 2) 11...15 2) 3200...3400<br />
m + t -35 0.03 ~50 1) > 20 1) 1900<br />
1) Reissfestigkeit bzw. Reissdehnung nach ASTM D 1457<br />
2) Streckspannung bzw. Reissdehnung nach DIN 53455 nach Lagerung bei 23°C, 50% r.F.<br />
3) bei 20°C, 65% r.F.<br />
4) tt: sehr teuer; t: teuer; m: mittel; g: günstig; gg: sehr günstig<br />
Tabelle 5: Für den Einsatz als Matrixwerkstoff untersuchte Thermoplaste und Vergleich mit<br />
Epoxidharz (nach Dominighaus [7], Angst+Pfister [1], Flemming et al. [11],<br />
Winistoerfer [23], Habenicht [12], Callister [2], Frank und Biederbeck [10])<br />
Mit PP gelang keine Lamellenherstellung, weil die Schlichte der Kohlenstofffasern<br />
(die für die Anbindung an einen Duromer vorgesehen ist) einen tauglichen Verbund<br />
zwischen Matrix und Fasern verhinderte. Bei Bruchversuchen an Testserien rutschten<br />
die Fasern daher ohne viel Widerstand aus dem Gefüge. Für eine erfolgreiche Lamellenherstellung<br />
wäre ein thermisches oder chemisches Entfernen der Schlichte sowie eine<br />
eventuelle Nachbehandlung nötig gewesen. Da auch die Klebbarkeit nicht ohne weiteres<br />
gewährleistet war, wurde PP trotz guter Langzeiterfahrung bei verschiedenen Anwendungen<br />
und dem tiefen Preis nicht weiter untersucht.<br />
PEI schien wegen der hohen Temperaturbeständigkeit, der mechanischen Eigenschaften<br />
und der guten Klebbarkeit ein sehr gut geeigneter Matrixwerkstoff zu sein. Hier<br />
erwies sich aber die Lieferform als Problem: die Lieferung von feinem Pulver hätte eine<br />
grosse Bestellmenge bei sehr hohem Preis gefordert. Für die Herstellung einer Testlamelle<br />
wurden dünne PEI-Bänder der Firma Cytec Fiberite Inc. (USA) zu Lamellen verpresst<br />
(Erwärmung bis zum Aufschmelzen der Matrix und anschliessendes Verpressen<br />
mit der Doppelbandpresse). Die Faserverteilung in den Tapes war recht inhomogen und<br />
führte zu einer unbefriedigenden Lamellenqualität. Schliesslich wurde die Verwendung<br />
von PEI als unwirtschaftlich erachtet und nicht weiter verfolgt.<br />
22
Entwicklung<br />
Bei der Verwendung von PMMA zeigten sich ähnliche Probleme wie bei PP: die<br />
Haftung zu den Fasern war ungenügend, die Herstellung einer tauglichen Lamelle hätte<br />
ein Entfernen der Schlichte erfordert und wurde deshalb nicht weiter untersucht.<br />
Wegen der guten Haftung zu Epoxidharzen wurde versucht, mit PMMA-Blends die<br />
Klebbarkeit der PA12-Matrix zu verbessern. Die Resultate der Zugscherversuche (Tabelle<br />
6) zeigten aber keinen entsprechenden Effekt, so dass auf eine weitere Verwendung<br />
von PMMA verzichtet wurde.<br />
Hinsichtlich der Verwendung von PE wurden–ähnlichwiebeiPP und PMMA –<br />
Probleme mit der Haftung zur Faser erwartet. Da auch die Klebbarkeit von PE ein Problem<br />
darstellt, wurde dieser Kunststoff - trotz des tiefen Preises - nicht weiter untersucht.<br />
PPS wurde aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften als erfolgversprechendes<br />
Matrixmaterial erachtet. Wegen der schlechten Klebbarkeit und des<br />
hohen Preises wurde aber dieser Thermoplast schliesslich nicht zu Lamellen verarbeitet.<br />
Bei den fortgeschrittenen Generationen der PA12-Lamelle wurden zur äussersten<br />
Lamellenschicht PPS-Partikel beigegeben, die als „Abstandhalter“ zwischen den Fasern<br />
wirkten und dadurch die Schaffung einer porösen Oberfläche („Käsestruktur“) ermöglichten<br />
(Kapitel 2.2.4).<br />
Auf die Verwendung von PVC wurde frühzeitig verzichtet. Wegen der oft enthaltenen<br />
Weichmacher gelten sie als umweltschädlich und wegen des Chloridgehalts werden<br />
bei starker Erwärmung toxische Gase freigesetzt.<br />
PVDF ist gut klebbar und wurde deshalb versuchsweise als Blend zur PA12-Matrix<br />
beigemischt. Die Zugscherversuche (Tabelle 6) haben aber keine Verbesserung der<br />
Verbundfestigkeit mit Sikadur-30 gezeigt, so dass auf eine weitere Verwendung verzichtet<br />
wurde.<br />
2.2.3 Zugscherversuche an verklebten Testlamellen<br />
Eine wichtige Anforderung an die neue Lamelle war eine gute und dauerhafte Verklebbarkeit<br />
mit dem Klebstoff Sikadur-30. Zur Untersuchung dieser Eigenschaften wurden<br />
verklebte Lamellenproben bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gelagert und<br />
in verschiedenen Zeitabständen im Zugscherversuch geprüft.<br />
Die Proben wurden mit Sika Colma-Reiniger entfettet, entsprechend den geometrischen<br />
Angaben in Bild 3 verklebt und während sieben Tagen bei Raumtemperatur<br />
(23°C) ausgehärtet.<br />
Die raumgelagerten Proben (RL) wurden auch nach der Aushärtungsphase bei<br />
„Aushärtungsbedingungen“ gelagert. Ein Teil der Proben wurde in ein Wasserbecken<br />
gegeben (Wasserlagerung, WL), das sich in einem klimatisierten Raum befand und daher<br />
eine konstante Temperatur von 23°C hatte. Zur Untersuchung des Einflusses besonders<br />
anspruchsvoller Umgebungsbedingungen wurde die aus der Automobilindustrie<br />
übernommene Kataplasmalagerung (KL) durchgeführt. Hierbei wurden die Proben in<br />
saugfähiges Papier gewickelt, mit Wasser getränkt und in einen dichten Plastiksack gepackt.<br />
Der Sack wurde in einen verschlossenen Blecheimer mit ein wenig Wasser drin<br />
gelegt und in einem Ofen bei 80°C gelagert.<br />
23
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Die Zugscherversuche wurden nach unterschiedlichen Lagerungszeiten durchgeführt.<br />
Die Vorschubgeschwindigkeit der dafür verwendeten Instron Universalprüfmaschine<br />
betrug 2 mm/min . Zur Vermeidung von Biegemomenten war eine der Einspannstellen<br />
mit einem Gelenk versehen.<br />
Die Resultate in Tabelle 6 stammen aus der Division der Bruchkraft durch die Klebefläche,<br />
wobei jeder Wert dem Mittel von drei Versuchen entspricht.<br />
Der Zugscherversuch eignet sich eigentlich nicht für die Messung von Schubfestigkeitswerten:<br />
Wegen der exzentrisch auf die Klebefläche wirkenden Kräfte werden recht<br />
tiefe „Festigkeitswerte“ gemessen, die bei geringen Änderungen in der Prüfkörpergeometrie<br />
stark variieren und daher nur für Vergleichszwecke mit gleichartigen Versuchsserien<br />
verwendet werden dürfen.<br />
Th. Lamelle, Gen. 0 Th. Lamelle, Gen. 1 Th. Lamelle, Gen. 2, Ch. 1 Th. Lamelle, Gen. 2, Ch. 2<br />
Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL<br />
7 d<br />
28 d<br />
7 mt<br />
9 mt<br />
12 mt<br />
7.1<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
6.1<br />
4.3<br />
4.6<br />
5.3<br />
4.0<br />
3.9<br />
-<br />
-<br />
-<br />
7 d<br />
28 d<br />
3 mt<br />
6 mt<br />
12 mt<br />
8.5<br />
7.8<br />
-<br />
-<br />
-<br />
8.7<br />
6.8<br />
-<br />
-<br />
-<br />
6.4<br />
4.7<br />
-<br />
-<br />
-<br />
7 d<br />
28 d<br />
3 mt<br />
6 mt<br />
12 mt<br />
7.2<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
7.0<br />
-<br />
7.5<br />
4.8<br />
4.4<br />
6.0<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
7 d<br />
28 d<br />
3 mt<br />
6 mt<br />
12 mt<br />
PA12 + 5% PMMA PA12 + 10% PVDF PEI-Lamelle CarboDur S512<br />
Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL Zeit RL WL KL<br />
7 d<br />
28 d<br />
7 mt<br />
9 mt<br />
12 mt<br />
4.8<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
5.6<br />
5.7<br />
4.9<br />
5.2<br />
4.0<br />
3.3<br />
-<br />
-<br />
-<br />
7 d<br />
28 d<br />
7 mt<br />
9 mt<br />
12 mt<br />
RL: raumgelagerte Proben<br />
WL: im Wasser gelagerte Proben<br />
KL: Kataplasmalagerung<br />
4.5<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
3.5<br />
5.1<br />
4.5<br />
4.8<br />
3.0<br />
3.9<br />
-<br />
-<br />
-<br />
7 d<br />
28 d<br />
3 mt<br />
6 mt<br />
12 mt<br />
5.6<br />
5.7<br />
-<br />
-<br />
-<br />
6.2<br />
7.2<br />
6.2<br />
5.3<br />
5.6<br />
6.3<br />
5.1<br />
-<br />
-<br />
-<br />
7 d<br />
28 d<br />
3 mt<br />
6 mt<br />
12 mt<br />
Tabelle 6: Resultate der Zugscherversuche: mittlere Versagensschubspannungen in [MPa]<br />
24<br />
[mm]<br />
Bild 3: Zugscherversuch – Prinzip und Geometrie<br />
1.0<br />
20<br />
Klebstoff Sikadur-30<br />
CFK-Lamelle<br />
5.8<br />
5.1<br />
-<br />
-<br />
-<br />
8.7<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
5.6<br />
5.3<br />
5.1<br />
5.2<br />
3.8<br />
-<br />
-<br />
8.2<br />
8.6<br />
6.1<br />
5.3<br />
4.6<br />
-<br />
-<br />
-<br />
6.0<br />
6.2<br />
-<br />
-<br />
-
2.2.4 Die „T700S + PA12“ - Lamelle<br />
Entwicklung<br />
Entwicklung und Aufbau<br />
Nachdem mit der Kohlenstofffaser T700S und dem Thermoplast PA12 die Herstellung<br />
einer Lamelle gelungen war, wurde das Produkt untersucht und entsprechend den Ergebnissen<br />
schrittweise verbessert. Tabelle 7 enthält einen Überblick über diese Entwicklung.<br />
Für die Herstellung der Generation 0 wurden die Fasern zu dünnen Tapes verarbeitet<br />
und anschliessend zu Lamellen verpresst. Da die einzelnen Tapes eine Breite von nur<br />
25 mm hatten, bestand die Lamelle letztlich aus zwei nebeneinanderliegenden, verschweissten<br />
Tapepaketen. Eine schwache Dickenvariation führte zu einem leichten Gefälle<br />
in Lamellenquerrichtung, ansonsten war das Produkt aber homogen und von guter<br />
Qualität.<br />
Lamellenbezeichnung<br />
Herstellungsdatum<br />
Anz.<br />
Fasern<br />
nf<br />
Breite<br />
1)<br />
bl<br />
Dicke<br />
2)<br />
tl<br />
[·10 3 ] [mm] [mm]<br />
Generation 0 17.11.1998 768 49.7 1.00<br />
PA12<br />
+5% PMMA<br />
PA12<br />
+10% PVDF<br />
18.11.1998 144 13.0 0.75<br />
18.11.1998 144 13.0 0.75<br />
Generation 1 26.04.1999 960 49.9 1.15<br />
Generation 2<br />
Charge 1<br />
30.07.1999 960 49.7 1.20<br />
Charge 2 24.01.2000 960 49.8 1.15<br />
Charge 3:<br />
„SUPreM<br />
CarboDur<br />
T 512<br />
Lot 001“<br />
17.11.2000 1020 49.8 1.25<br />
Charge 4 19.11.2001 984 49.9 1.23<br />
Merkmal Untersuchung/<br />
Einsatz<br />
Querschnitt homogen,<br />
keine „Käsestruktur“<br />
PMMA-Blends im<br />
Oberflächenbereich<br />
PVDF-Blends im<br />
Oberflächenbereich<br />
„Käsestruktur“<br />
nicht gelungen<br />
mit einseitiger<br />
„Käsestruktur“ zur<br />
Verbesserung des<br />
Verbunds zum<br />
Klebstoff<br />
1) auf 0.1 mm gerundeter Mittelwert; 2) auf 0.05 mm gerundeter Mittelwert<br />
LM: Lichtmikroskop<br />
REM: Rasterelektronenmikroskop<br />
PS: Versuch am Plattenstreifen<br />
LV: Versuch am Langzeitversuchsträger<br />
ET: Versuch am Ermüdungsträger<br />
Tabelle 7: Entwicklung der „T700S + PA12“ - Lamelle<br />
Festigkeit,<br />
Zugscherversuch<br />
Zugscherversuch<br />
Zugscherversuch<br />
LM, REM,<br />
Steifigkeit, PS1<br />
LM, REM,<br />
Steifigkeit, PS4<br />
LV, ET<br />
Festigkeit, Steifigkeit,Haftzugversuch,<br />
Aufrollversuch<br />
Haftzugversuch,<br />
Aufrollversuch<br />
Ergebnis<br />
schwacher Verbund<br />
mit Sikadur-30<br />
schwacher Verbund<br />
mit Sikadur-30<br />
schwacher Verbund<br />
mit Sikadur-30<br />
Beachtlicher Verbund<br />
mit Sikadur-<br />
30, trotz fehlender<br />
„Käsestruktur“<br />
guter Verbund mit<br />
Sikadur-30<br />
guter Verbund mit<br />
Sikadur-30<br />
guter Verbund mit<br />
Sikadur-30, Probleme<br />
bei Haftzugund<br />
Aufrollversuch<br />
Probleme bei<br />
Haftzug- und Aufrollversuchbehoben<br />
25
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Mit Zugscherversuchen (Tabelle 6) wurde die Haftung zu Sikadur-30 untersucht.<br />
Wegen der bescheidenen Resultate lag der Schwerpunkt für die Folgeserien bei der<br />
Verbesserung der Klebbarkeit.<br />
Die Thermoplaste PMMA und PVDF zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine gute<br />
Haftung zu Epoxidharzklebstoffen besitzen. Bei den Serien PA12 + 5% PMMA und<br />
PA12 + 10% PVDF wurde darum versucht, durch Beigabe dieser Polymere zur PA12-<br />
Matrix eine – gegenüber der reinen PA12-Matrix – bessere Klebstoffhaftung zu erreichen.<br />
Versuchshalber wurden 13 mm-Bänder zu „schmalen Lamellen“ verpresst, wobei<br />
die äusserste Lage aus einem PA12-Tape mit 5% PMMA- bzw. 10% PVDF-Blends bestand.<br />
Die mit solchen Proben durchgeführten Zugscherversuche zeigten aber, dass dadurch<br />
keine nennenswerte Verbesserung der Klebbarkeit erreicht wird (Tabelle 6).<br />
Die Lamelle der Generation 1 hatte ein anderes Konzept zur Verbesserung der<br />
Klebstoffhaftung. Mit einer (einseitig) porösen Oberfläche sollte eine mechanische<br />
Verzahnung mit dem Klebstoff realisiert werden (Formschluss). Für die Herstellung<br />
dieser Lamelle wurden ebenfalls dünne Tapes mit der Doppelbandpresse verpresst, wobei<br />
für die äusserste, oberflächenbildende Lage ein nur schwach imprägniertes Tape<br />
zum Einsatz kam. Dieses hatte einen reduzierten Matrixgehalt und war darum porös.<br />
Die Lamelle der Generation 1 wurde unter anderem für die Verstärkung des Trägers<br />
PS1 eingesetzt. Der Versuch verlief erfolgreich, die Klebstoffhaftung der Lamelle<br />
schien aber weiterhin ungenügend (siehe Kapitel 3.2.3).<br />
Zur Untersuchung dieses Problems wurden licht- und rasterelektronenmikroskopische<br />
Aufnahmen an Lamellenproben gemacht. Dabei stellte sich heraus, dass keine der<br />
beiden Oberflächen porös war. Offenbar hat die äusserste, schwach imprägnierte Tapelage<br />
beim Verpressen mit der Doppelbandpresse Matrixmaterial von den inneren Tapelagen<br />
erhalten, so dass die Poren wieder geschlossen wurden.<br />
Das Konzept der rauhen oder porösen Oberfläche zur Verbesserung der Klebstoffhaftung<br />
wurde beibehalten, es musste aber eine andere Herstellungsmöglichkeit gefunden<br />
werden.<br />
Eine solche „Käsestruktur“ konnte bei der Lamelle der Generation 2 realisiert werden.<br />
Für die Oberfläche wurde ein Tape verwendet, das nebst PA12 mit PPS-Partikeln<br />
imprägniert war. Wegen der höheren Schmelztemperatur waren letztere im Herstellungsprozess<br />
nicht geschmolzen und wirkten dadurch als „Abstandhalter“ zwischen den<br />
Fasern.<br />
In Bild 4 ist eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Draufsicht auf die Lamellenoberfläche<br />
dargestellt. Die PPS-Partikel spreizen die oberflächlichen Fasern, so dass<br />
ein Hohlraum entsteht, in welchen der Klebstoff eindringen kann.<br />
Ein Schliffbild des Gesamtquerschnitts ist in der lichtmikroskopischen (LM) Aufnahme<br />
in Bild 5a) zu sehen. Auf der „oberen“ Seite lässt sich die „Käsestruktur“ erahnen,<br />
während der restliche Bereich des Querschnitts sehr homogen erscheint. Die<br />
Vergrösserung in Bild 5c) zeigt ein Detail der „Käsestruktur“. Neben den Fasern und<br />
der PA12-Matrix kann man die PPS-Partikel und die von ihnen verursachten Poren erkennen.<br />
Ein Teil dieser Poren ist zur Oberfläche hin geöffnet, ein anderer Teil liegt<br />
mehr im inneren der Lamelle, ist in sich geschlossen und kann nicht vom Klebstoff verfüllt<br />
werden. Dieser Porenraum wirkt daher als interlaminare Schwächung. Bild 5b)<br />
zeigt die Verzahnung des Klebstoffs Sikadur-30 mit den äusseren Poren der Lamelle.<br />
26
Entwicklung<br />
Der Bauteilversuch PS4 (Kapitel 3.2.3) zeigte, dass die „Käsestruktur“ einen besseren<br />
Verbund mit dem Klebstoff Sikadur-30 bewirkte. Für die Durchführung weiterer<br />
Untersuchungen und Versuche wurden deshalb drei weitere Chargen der Generation 2<br />
produziert (Chargen 2 und 3).<br />
Bei Charge 3 der Generation 2 wurde der Fasergehalt zwecks Annäherung an das<br />
Produkt Sika CarboDur S512 erhöht. Diese Charge erhielt bereits einen für kommerzielle<br />
Zwecke gedachten Namen. Aus der von Sulzer benutzten Bezeichnung SUPreM TM<br />
und der von Sika unter dem Namen CarboDur vertriebenen Produktepalette entstand<br />
der Name „SUPreM CarboDur T512 Lot 001“ („T“ indiziert die <strong>thermoplastische</strong><br />
Lamelle, „Lot 001“ die Serienummer). Das Foto in Bild 6 enthält sowohl das herkömmliche<br />
Produkt Sika CarboDur S512 als auch diese neue Lamelle.<br />
Die in Kapitel 4.1 bzw. 4.2 beschriebenen Aufroll- und Haftzugversuche anhand<br />
Charge 3 zeigten, dass bei der Handhabung Probleme auftreten können. Vermutlich<br />
führte der höhere Fasergehalt dazu, dass die interlaminare Festigkeit reduziert war und<br />
diese Versuche nicht erfolgreich durchgeführt werden konnten.<br />
Bild 4: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der „Käsestruktur“<br />
27
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Aufgrund der Erkenntnisse bezüglich der Handhabungsprobleme mit Charge 3 wurde<br />
Charge 4 mit einem etwas geringeren Fasergehalt hergestellt. Auf diese Weise gelang<br />
es, die interlaminare Festigkeit (gegenüber Charge 3) zu erhöhen und sowohl Haftzugals<br />
auch Aufrollversuch erfolgreich durchzuführen.<br />
Bild 5: Lichtmikroskopische Aufnahmen: Querschnitt mit „Käsestruktur“<br />
28
Bild 6: Thermoplastische Lamelle, Vergleich mit marktüblichem Produkt<br />
Entwicklung<br />
Mechanische, thermische und hygroskopische Eigenschaften<br />
Zur Messung der Festigkeit und der Steifigkeit wurden Zugversuche durchgeführt. Wegen<br />
der hohen Längszug- und der geringen Querdruckfestigkeit der Lamellen hängen die<br />
Resultate der Festigkeitsmessung von der angewendeten Prüftechnik ab. Für die Einleitung<br />
der hohen Zugkraft wird in der Regel ein Klemmsystem verwendet, das zu lokal<br />
hohem Querdruck führt. Hier kommt es zu einem frühzeitigen Versagen, die aus dem<br />
Fasergehalt bestimmte, theoretische Festigkeit wird nicht erreicht. Für die Messung<br />
„guter“ Festigkeitswerte muss also eine möglichst „sanfte“ Krafteinleitung realisiert<br />
werden. In Tabelle 8 sind die gemessenen Festigkeiten und die angewendete Prüftechnik<br />
enthalten. Bild 8 zeigt die aufgezeichneten Spannungs-Dehnungsdiagramme.<br />
Für Versuche mit der Universalprüfmaschine Instron 1251 wurden geschnittene<br />
Lamellenstreifen mit einer Breite von ca. 14 mm verwendet. Zur Erhöhung der Reibung<br />
waren die Enden der Proben beidseitig mit feinem Korundpapier beklebt. Die freie<br />
Probenlänge zwischen den Einspannungen betrug mindestens 200 mm. Die Prüfgeschwindigkeit<br />
lag bei 5 mm/min . Folgende Versuchstechniken wurden ausprobiert<br />
(Bild 7):<br />
� Ein Teil der Proben wurden zwischen zwei Hälften eines Klemmkonus (KK) aus glasfaserverstärktem<br />
Polyamid gegeben und in eine Stahlhülse eingebaut. Auf diese Weise<br />
konnte die Zugkraft auf einer Länge von 190 mm in die Lamelle eingeleitet werden.<br />
� Eine einfachere Versuchsdurchführung war mittels Probeneinspannung mit den hydraulischen<br />
Klemmbacken der Prüfmaschine möglich. Zur Untersuchung des Einflus-<br />
29
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
ses auf die Festigkeitsmessung wurden einige Parameter variiert:<br />
Bei der Variante Klemmbacken mit Stützplatten (KS) wurden die 50 mm tiefen<br />
Klemmbacken mit glatten Stahlplatten auf eine Länge von 100 mm verlängert, die<br />
Probe lag zwischen diesen Stützplatten. In dem Bereich, wo die Stützplatten ausserhalb<br />
der Klemmbacken lagen (50 mm) sollte ein Übergang von hoher Querpressung<br />
unter den Klemmbacken zu geringer Querpressung am Ende der Stützplatten möglich<br />
sein.<br />
Die Variante Klemmbacken mit geschraubten Stützplatten (KgS) war bezüglich der<br />
Anordnung gleich wie Klemmbacken mit Stützplatten. Hier waren aber die Enden der<br />
Stützplatten mit Schrauben zusammengepresst, so dass auf der ganzen Stützplattenlänge<br />
(100 mm) ein hoher Querdruck herrschte.<br />
Bild 7: Verschiedene Klemmtechniken für Zugversuche<br />
Für die Prüfung der ganzen Lamelle wurde die grössere Universalprüfmaschine Instron<br />
1346 verwendet. Die Proben wurden zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten<br />
ebenfalls beidseitig mit Korundpapier beklebt. Die freie Lamellenlänge zwischen den<br />
Einspannungen betrug 200 mm. Auch bei diesen Versuchen lag die Prüfgeschwindigkeit<br />
bei 5 mm/min . Die hydraulischen Klemmbacken dieser Maschine erlaubten eine grössere<br />
Einspannlänge (als bei Instron 1251) und erreichten auch einen höheren Querdruck.<br />
Für die Durchführung der Versuche Klemmbacken lang (KL) wurde die Lamelle<br />
zwischen die mit glatten Stahlplatten belegten Klemmbacken der Prüfmaschine gespannt<br />
und geprüft (Bild 7).<br />
Bei den Zugversuchen an den Proben der Generation 2, Charge 3 (bzw. SUPreM<br />
CarboDur T512 Lot 001) wurde das gesamte Spannung-Dehnungsdiagramm aufgenommen<br />
(Bild 8). Zu diesem Zweck wurde in der freien Lamellenlänge ein Extensome-<br />
30<br />
190<br />
KK KS KgS KL<br />
[mm]<br />
50<br />
100<br />
190
Entwicklung<br />
ter mit einer Basislänge von 50 mm und einer Auflösung von 1 µm angeklemmt. Die<br />
Elastizitätsmoduln in Tabelle 8 wurden als Sekantenmodul im Dehnungsbereich εA bis<br />
εB bestimmt.<br />
Lamellenbezeichnung<br />
Versuchstechnik<br />
Generation 0 KK<br />
KK<br />
KK<br />
KK<br />
Generation 1 KK<br />
KK<br />
Generation 2<br />
Charge 1<br />
Generation 2<br />
Charge 3<br />
„SUPreM<br />
CarboDur<br />
T 512<br />
Lot 001“<br />
KL<br />
KL<br />
KgS<br />
KgS<br />
KS<br />
KS<br />
KL<br />
KL<br />
KK<br />
KK<br />
KK<br />
KK<br />
Probenbreite<br />
Probendicke<br />
Zugfestigkeit<br />
Dehnung<br />
bei flu<br />
E-Modul<br />
(Sekantenmodul)<br />
Dehnungsbereich für<br />
Sekantenmodul<br />
bl tl flu εlu El εA εB<br />
[mm] [mm] [MPa] [‰] [GPa] [‰] [‰]<br />
13.2<br />
14.5<br />
14.0<br />
13.8<br />
49.7<br />
49.6<br />
49.9<br />
49.9<br />
13.9<br />
14.0<br />
13.8<br />
13.9<br />
49.7<br />
49.7<br />
13.9<br />
13.9<br />
13.9<br />
13.6<br />
1.02<br />
1.01<br />
1.02<br />
1.02<br />
1.21<br />
1.21<br />
1.17<br />
1.12<br />
1.22<br />
1.21<br />
1.19<br />
1.20<br />
1.23<br />
1.23<br />
1.29<br />
1.27<br />
1.25<br />
1.23<br />
Mittelwert m:<br />
Standardabweichung s:<br />
(Variationskoeffizient v:)<br />
2434<br />
2436<br />
2327<br />
2271<br />
2319<br />
2222<br />
2432<br />
2156<br />
2369<br />
2480<br />
2078<br />
2252<br />
2251<br />
2211<br />
2277<br />
124<br />
(5.4%)<br />
1)<br />
nach DIN 2561 [6]: Sekantenmodul zwischen 0.1·flu und 0.5·flu<br />
KK: Klemmkonus<br />
KL: Klemmbacken lang<br />
KS: Klemmbacken mit Stützplatten<br />
KgS: Klemmbacken mit geschraubten Stützplatten<br />
Tabelle 8: Festigkeiten und Steifigkeiten der Lamellen<br />
16.2<br />
16.7<br />
17.4<br />
16.7<br />
17.9<br />
18.7<br />
17.2<br />
18.0<br />
17.4<br />
17.5<br />
122.7<br />
131.0<br />
104.4<br />
101.2<br />
129.8<br />
133.3<br />
137.2<br />
131.3<br />
140.8<br />
130.2<br />
129.3<br />
133.0<br />
134.1<br />
134.1<br />
133.3<br />
3.6<br />
(2.7%)<br />
0.26<br />
0.26<br />
0.24<br />
0.26<br />
1.9 1)<br />
2.0 1)<br />
2.0 1)<br />
1.8 1)<br />
2.1 1)<br />
2.0 1)<br />
1.9 1)<br />
1.9 1)<br />
1.9 1)<br />
1.9 1)<br />
1.5<br />
2.0<br />
2.0<br />
2.0<br />
8.6 1)<br />
8.7 1)<br />
8.9 1)<br />
8.5 1)<br />
9.3 1)<br />
9.3 1)<br />
8.3 1)<br />
8.7 1)<br />
8.6 1)<br />
8.6 1)<br />
Die in Bild 8 dargestellten Spannungs-Dehnungsverläufe zeigen eine leicht progressive<br />
Abweichung vom ideal linear-elastischen Stoffgesetz. Dieser Verlauf kommt daher,<br />
dass infolge unvermeidbarer geometrischer Imperfektionen einige Fasern erst bei höheren<br />
Spannungen zum Zugtragverhalten beitragen.<br />
Mit den Versuchen an der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle der Generation 2, Charge 3<br />
(bzw. SUPreM CarboDur T512 Lot 001) kann der Effekt der unterschiedlichen Zugprüfkonzepte<br />
(KgS, KS, KL und KK) verglichen werden (Tabelle 8). Erstaunlicherweise<br />
liegen die Messwerte recht nahe beieinander, so dass keine eindeutige Einstufung der<br />
Güte der Prüfkonzepte möglich ist.<br />
31
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Bild 8: Spannungs-Dehnungsdiagramme der Versuche an<br />
Generation 2, Charge 3 (bzw. SUPreM CarboDur T512 Lot 001)<br />
Die gemessenen Festigkeiten und Steifigkeiten können mit theoretisch bestimmten<br />
Werten verglichen werden. Letztere lassen sich – unter Vernachlässigung der Wirkung<br />
der Matrix – abschätzen, indem lediglich die Anzahl und die Eigenschaften der darin<br />
enthaltenen Fasern berücksichtigt werden (Tabelle 7; Tabelle 4, der Durchmesser der<br />
Faser T700S beträgt gemäss Herstellerangabe 7 µm). Die auf diese Weise bestimmten<br />
Werte sind in Tabelle 9 enthalten.<br />
Bei den Versuchen an der Charge 3 der Generation 2 (bzw. SUPreM CarboDur T512<br />
Lot 001) stimmen die gemessenen Elastizitätsmoduln recht gut mit dem berechneten<br />
Wert überein (δE = El,exp : El,ber = 0.92). Bezüglich der Festigkeit lassen sich deutlichere<br />
Abweichungen feststellen: das Verhältnis zwischen experimentellem und theoretischem<br />
Wert betrug lediglich δf = flu,exp : fl,ber = 0.74. Diese Beobachtung kann damit begründet<br />
werden, dass die Lamellen im Bereich der Einspannung durch eine Kombination von<br />
Längszug und Querdruck beansprucht wurden und deshalb von dieser Stelle ausgehend<br />
„frühzeitig“ versagten.<br />
Während von der Charge 3 der Generation 2 die Resultate einer etwas umfangreicheren<br />
Versuchsserie vorliegen, wurden anhand der anderen Chargen nur einzelne<br />
Messungen durchgeführt. Für die Charakterisierung der technischen Eigenschaften<br />
wurde deshalb angenommen, dass mit den Faktoren δE = 0.92 und δf = 0.74 auch bei den<br />
letztgenannten Chargen der Bezug zwischen experimentell und theoretisch ermitteltem<br />
Wert hergestellt und dass die Streuung ebenfalls mit den Variationskoeffizienten<br />
vf = 0.054 und vE = 0.027 beschrieben werden kann. Ferner wurden die leicht vonei-<br />
32<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
σ [MPa]<br />
0 5 10 15 20<br />
ε [‰]
Entwicklung<br />
nander abweichenden Querschnittsabmessungen in Tabelle 7 zu nominellen Querschnittwerten,<br />
bl,nom und tl,nom, vereinfacht und der daraus folgende nominellen Fasergehalten,<br />
ρf,nom, bestimmt. Mit diesen Überlegungen folgen die charakteristischen<br />
Eigenschaften in Tabelle 10, welche den Vergleich mit den Angaben in Tabelle 1 (Eigenschaften<br />
der Lamelle CarboDur S512) ermöglichen.<br />
Lamellenbezeichnung<br />
Generation 0 0.59<br />
Generation 1 0.64<br />
Generation 2<br />
Charge 1<br />
0.62<br />
Generation 2<br />
Charge 3<br />
„SUPreM<br />
CarboDur<br />
0.63<br />
T 512<br />
Lot 001“<br />
Generation 2<br />
Charge 4<br />
1)<br />
ρf 1) ffu Ef f lu, ber =f fu ⋅ρ f E l, ber =E f ⋅ρ f<br />
[-] [MPa] [GPa] [MPa] [GPa]<br />
0.62<br />
4900 230<br />
ρ f : geometrischer Fasergehalt , ρ f =<br />
nf⋅( d 2<br />
f<br />
2)<br />
b l ⋅t l<br />
Tabelle 9: Abschäzung der mechanischen Eigenschaften<br />
⋅π<br />
2891 136<br />
3136 147<br />
3038 143<br />
3090 145<br />
3023 142<br />
(n f : Anz. Fasern<br />
b l : Lamellenbreite<br />
t l : Lamellendicke)<br />
Zur Untersuchung der thermischen Abhängigkeit der Steifigkeit wurde ein Torsionsschwingversuch<br />
nach DIN 53 445 [5] durchgeführt. Hierbei wird eine streifenförmige<br />
Materialprobe (Lamellenstreifen mit l =50 mm, b =10 mm) oben eingespannt und unten<br />
mit einer Schwungmasse gekoppelt. Die Umgebungstemperatur wird nun stufenweise<br />
gesteigert, wobei bei jeder Stufe die Streifenprobe durch Auslenken der Schwungscheibe<br />
in eine freie Torsionsschwingung versetzt wird. Durch Auswertung von Frequenz<br />
und Dämpfung lassen sich der zur Temperatur gehörende Schubmodul<br />
(Speichermodul G') und die Phasendifferenz tan δ zwischen Scherung und Schubspannung<br />
bestimmen. Auf diese Weise wird neben der Temperaturabhängigkeit der Steifigkeit<br />
auch die Glassübergangstemperatur Tg ermittelt, diese entspricht der Temperatur<br />
mit dem Maximum der Phasendifferenz tan δ (Michaeli und Wegener [17]).<br />
In Bild 9 sind die Resultate von Torsionsschwingversuchen an einer <strong>thermoplastische</strong>n<br />
Lamelle der Generation 2 sowie auch an einem Streifen Sikadur-30 (Deuring [4])<br />
dargestellt.<br />
33
Die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle<br />
Die Glasübergangstemperatur von Sikadur-30 liegt bei etwa 55°C. Wegen der<br />
amorphen Struktur des Epoxidharzes sinkt die Steifigkeit in diesem Bereich auf ca. 1%<br />
des Raumtemperatur-Wertes. Die Tg des für die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle verwendeten<br />
PA12 liegt bei nur ca. 48°C. Der Steifigkeitsabfall ist aber wegen der teilkristallinen<br />
Struktur hier geringer als bei Sikadur-30, so dass die Frage nach der kritischen Komponente<br />
bei thermischer Beanspruchung offen bleibt.<br />
Neben der Glassübergangstemperatur Tg sollte noch ein anderer thermischer Punkt<br />
beachtet werden: ab ca. 42°C, d.h. vor Erreichen von Tg, beginnen die Steifigkeiten<br />
beider Proben abzunehmen. Unter Umständen sind schon hier Probleme zu erwarten,<br />
wenn ein Bauteil unter hoher Beanspruchung steht und diese Temperatur überschreitet.<br />
Lamellenbezeichnung<br />
Breite 1) Dicke 1) Fasergehalt<br />
2)<br />
Zugfestigkeit 3), 4) E-Modul 5) Bruchdehnung<br />
6)<br />
bl, nom tl, nom ρf, nom flu, 5% flu, m El, m εlu, 5%<br />
[mm] [mm] [-] [MPa] [MPa] [GPa] [‰]<br />
Generation 0 50 1.0 0.59 1949 2139 125 16<br />
Generation 1 50 1.2 0.62 2048 2248 131 16<br />
Generation 2<br />
Charge 1<br />
Generation 2<br />
Charge 3<br />
50 1.2 0.62 2048 2248 131 16<br />
„SUPreM<br />
CarboDur<br />
T 512<br />
Lot 001“<br />
50 1.2 0.65 2148 2357 138 16<br />
Generation 2<br />
Charge 4<br />
50 1.2 0.63 2081 2284 133 16<br />
1) Nominelle Werte.<br />
2) Nomineller Fasergehalt: ρf, nom = (bl·tl)/(bl, nom·tl, nom)·ρf ; (bl, tl, ρf entsprechend Tabelle 7 und Tabelle 9)<br />
3) 5%-Fraktilwert : flu, 5% = flu, m– 1.645·(vf· flu, m) ; (vf = 0.054, entsprechend Tabelle 8)<br />
4) Mittelwert der Zugfestigkeit: flu, m = δf·ρf, nom ·ffu ; (δf = 0.74, ffu entsprechend Tabelle 9)<br />
5) Mittelwert des Elastizitätsmoduls: El = δE·ρf, nom·Ef ; (δE = 0.92, Ef entsprechend Tabelle 9)<br />
6) Zur 5%-Fraktilwert-Festigkeit gehörende Bruchdehnung: εlu, 5% = flu, 5% / El<br />
Tabelle 10: Charakteristische Eigenschaften der Generationen 1 und 2 der thermoplast. Lamelle<br />
Polyamide nehmen – im Vergleich zu anderen Thermoplasten – verhältnismässig viel<br />
Wasser auf. Neben einer Volumenzunahme führt dies auch zu Änderungen der mechanischen<br />
Kennwerte. Innerhalb der PA-Reihe ist PA12 ein Vertreter mit recht geringer<br />
Wasseraufnahme. Trotzdem müssen mögliche Problem bei Dauerkontakt mit Wasser<br />
oder Wasserdampf erwartet und untersucht werden (Kapitel 3.3).<br />
34
1'000<br />
100<br />
10<br />
G' [MPA]<br />
Speichermodul G'<br />
Phasendifferenz tan δ<br />
-100 -50 0 50 100 150<br />
T [°C]<br />
Bild 9: Torsionsschwingversuch an <strong>thermoplastische</strong>r Lamelle und an Sikadur-30<br />
48°C<br />
42°C 55°C<br />
Thermoplastische Lamelle<br />
Sikadur-30<br />
Entwicklung<br />
tan δ [-]<br />
10<br />
1<br />
0.1<br />
0.01<br />
35
3 Bauteilversuche<br />
3.1 Versuchsprogramm<br />
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
Zur Untersuchung der Wirksamkeit der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle als Biegeverstärkung<br />
wurden Vierpunkt-Biegeversuche am „Plattenstreifen“ PS durchgeführt. Die Beanspruchung<br />
wurde entsprechend der Darstellung in Bild 10 stufenweise gesteigert, bis<br />
das Versagen erreicht war. Die Resultate ermöglichten die Beurteilung der <strong>thermoplastische</strong>n<br />
Lamelle als Biegeverstärkung bei statisch aufgebrachten Kurzzeitbelastungen.<br />
Der Grund für die Wahl dieses Versuchskonzepts lag in der einfachen Durchführbarkeit,<br />
der umfangreichen weltweit bestehenden Erfahrung, der guten theoretischen<br />
Erfassbarkeit und der Aussagekraft der Resultate.<br />
Im Rahmen dieser Vierpunkt-Biegeversuche wurden vier unterschiedlich verstärkte<br />
Träger geprüft (PS1...PS4). Bei Träger PS1 bestand die Verstärkung aus zwei <strong>thermoplastische</strong>n<br />
Lamellen der Generation 1. Als Referenzversuche dienten die Versuche an<br />
den Trägern PS2 (verstärkt mit zwei Lamellen des Typs Sika CarboDur S512) und PS3<br />
(unverstärkter Träger). Bei Träger PS4 wurden zwei <strong>thermoplastische</strong> Lamellen der<br />
Generation 2 appliziert. Durch Modifikation der Oberfläche („Käsestruktur“) konnte bei<br />
der Lamelle der Generation 2 ein besserer Verbund mit dem Klebstoff Sikadur-30 erreicht<br />
werden als bei der Lamelle der Generation 1. Tabelle 11 enthält eine Zusammenstellung<br />
der einzelnen Versuche.<br />
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
Mit den Langzeitversuchen wurde untersucht, ob sich die <strong>thermoplastische</strong> Lamelle für<br />
den Einsatz bei anspruchsvollen klimatischen Bedingungen eignet. Dabei wurden Träger<br />
des Typs LV („Langzeitversuchsträger“) mit je einer Lamelle verstärkt und entsprechend<br />
Bild 10 einer konstanten hohen Biegebeanspruchung ausgesetzt.<br />
Die mechanischen Eigenschaften der für die Herstellung der Lamellen verwendeten<br />
Kunststoffe sind abhängig von deren Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt. Um die<br />
Grenze der Anwendbarkeit zu finden, wurden die Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit<br />
stufenweise erhöht. Dieses Vorgehen führte zu einer Versuchszeit von ungefähr<br />
zwei Jahren.<br />
Für die Versuchsdurchführung wurde eine Vorrichtung verwendet, die zwei Prüfkörper<br />
gleichzeitig belasten kann. So war es möglich, den Träger LV1 (verstärkt mit einer<br />
<strong>thermoplastische</strong>n Lamelle) und den Träger LV2 (verstärkt mit einer Lamelle Sika<br />
CarboDur S512) parallel zu prüfen.<br />
37
Bauteilversuche<br />
Vor der Durchführung der Versuche LV1 und LV2 wurden zwei analoge Träger LV1*<br />
und LV2* getestet, wegen eines technischen Problems mit der Klimasteuerung versagten<br />
diese aber frühzeitig. In Tabelle 11 sind die Versuchsparameter der Langzeitversuche<br />
aufgelistet.<br />
PS LV<br />
ET<br />
Bild 10: Übersicht über die Versuchstypen<br />
38<br />
810<br />
Q<br />
1360<br />
Q Q = 17.6 kN<br />
Q<br />
Q<br />
520<br />
Q<br />
200<br />
480 810<br />
1000 300 1000<br />
2100<br />
Q<br />
t<br />
M<br />
V<br />
6<br />
2240<br />
6000<br />
1010 Lastzyklen<br />
Q<br />
520<br />
Q<br />
Q<br />
2300<br />
Q<br />
1360<br />
M = 17.6 kNm<br />
t<br />
t<br />
M<br />
V<br />
500<br />
M<br />
V<br />
[mm]<br />
160
Versuchsprogramm<br />
Versuch am Träger ET: Ermüdung und Bruchversuch<br />
Von den handelsüblichen CFK-Lamellen ist bekannt, dass sie recht unempfindlich sind<br />
gegenüber Ermüdungsbeanspruchungen. Um das entsprechende Verhalten der <strong>thermoplastische</strong>n<br />
Lamelle zu untersuchen, wurde der von der Spannweite her mit wirklichen<br />
Bauteilen vergleichbare „Ermüdungsträger“ ET damit verstärkt und insgesamt 10 Millionen<br />
zyklischen Lastwechseln ausgesetzt (Beanspruchung gemäss Darstellung in Bild<br />
10). Die erste Hälfte dieser Lastzyklen (LZ) erfolgte bei Raumklima, die zweite Hälfte<br />
bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mehr als 90%.<br />
Nach der Ermüdungsuntersuchung wurde die Beanspruchung statisch erhöht, bis der<br />
Träger versagte.<br />
Die Geometrie und Bewehrung des Trägers ET sowie die Lastanordnung und teilweise<br />
auch der Versuchsablauf wurden übernommen von früher realisierten Arbeiten<br />
(Deuring [4], Sika [21]). Die Resultate dieser vorangegangenen Versuche konnten zum<br />
Vergleich herbeigezogen werden, daher wurde auf die Durchführung eines Referenzversuchs<br />
verzichtet. Die wichtigsten Merkmale des Versuchs am Träger ET sind in Tabelle<br />
11 enthalten.<br />
Bezeichnungen<br />
Die Träger der drei Versuchseinheiten tragen die Namen PS, LV und ET. Zur Vereinfachung<br />
der Verständigung werden die zugehörigen Versuche ebenfalls als PS, LV und ET<br />
bezeichnet (im Versuch PS2 wurde also der Träger PS2 geprüft).<br />
Bez. Prüfkörper Biegezugbewehrung<br />
Verstärkungslamelle Versuchsaspekte<br />
l b h As Typ Al, tot 1)<br />
PS1<br />
PS2<br />
PS3<br />
PS4<br />
LV1*<br />
LV2*<br />
LV1<br />
LV2<br />
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm 2 ]<br />
2300 500 200 252<br />
2500 160 160 308<br />
ET 6700 900/<br />
260<br />
1) nominelle Querschnittsfläche<br />
500 2124<br />
Th.L., Gen. 1<br />
CarboDur S512<br />
-<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 1<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 2<br />
CarboDur S512<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 2<br />
CarboDur S512<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 2<br />
(SUPreM CarboDur<br />
T512)<br />
Tabelle 11: Übersicht über das gesamte Versuchsprogramm<br />
120<br />
120<br />
-<br />
120<br />
60<br />
60<br />
60<br />
60<br />
240<br />
Vierpunkt-Biegung,<br />
Kurzzeitbeanspruchung,<br />
statischer Bruchversuch.<br />
Vierpunkt-Biegung,<br />
Langzeitbeanspruchung,<br />
erhöhte Temperatur,<br />
erhöhte Feuchtigkeit.<br />
Grossbauteil,<br />
Ermüdungsverhalten,<br />
statischer Bruchversuch.<br />
39
Bauteilversuche<br />
3.2 Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
3.2.1 Der Träger PS<br />
Abmessung und Bewehrung<br />
Für die Vierpunkt-Biegeversuche wurde der Versuchsträger PS („Plattenstreifen“) entworfen.<br />
Die Dimensionen und Proportionen dieses Trägers sollten vergleichbar sein mit<br />
reellen Bauteilen. Gleichzeitig war die Grösse beschränkt, denn die für die Versuche<br />
vorgesehene Tonindustrie Biege- und Scheiteldruckprüfmaschine erlaubte eine maximale<br />
Spannweite von 2100 mm. Die Querschnittsmasse, die Bewehrungsüberdeckung<br />
und der Bewehrungsgehalt wurden so gewählt, dass durch die Applikation von zwei<br />
Lamellen eine sinnvolle Verstärkungswirkung erreicht wird. In der Trägermitte (zwischen<br />
den Krafteinleitungen) wurden keine Bügel gesetzt, damit sich dort ein ungestörtes<br />
Rissbild ausbilden kann.<br />
In Bild 11 sind die Masse und die Bewehrung des Trägers PS sowie die beim Versuch<br />
realisierte Lagerung und Krafteinleitung dargestellt. Im Rahmen der Versuchsserie<br />
wurden vier Träger (PS1...PS4) mit unterschiedlicher Verstärkung geprüft. Tabelle 12<br />
enthält eine Zusammenstellung der Geometrie und der verwendeten Lamellen.<br />
100<br />
Bild 11: Versuche PS - Trägermasse, Bewehrung und Laststellung<br />
40<br />
[mm]<br />
810<br />
875 (Bügelbereich)<br />
3 ø 8<br />
5 ø 8<br />
2300<br />
480<br />
Q Q<br />
550 (Bügelfrei)<br />
Bg ø 8, s=75<br />
2000 (Lamellenlänge)<br />
3 ø 8<br />
Bg ø 8, s =75<br />
5 ø 8<br />
Betonüberdeckung 30<br />
125<br />
Stahlplatte<br />
55×580×40<br />
50<br />
810<br />
500<br />
150<br />
50<br />
100<br />
116<br />
42<br />
42<br />
Stahlplatte<br />
50×1000×15<br />
CFK - Lamellen<br />
ζ<br />
200
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
Bez. Prüfkörper Bewehrung Lamellen Herstellung<br />
PS1<br />
PS2<br />
PS3<br />
PS4<br />
l b h As ζ(As) As' ζ(As') Bügel Typ Anz. Al 1) ζ(Al)<br />
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm]<br />
2300 500 200 252 158 151 42<br />
1) nominelle Werte<br />
Tabelle 12: Versuche PS – Zusammenstellung<br />
Ø8,<br />
s=75<br />
Th. L., Gen. 1<br />
CarboDur S512<br />
-<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 1<br />
2<br />
2<br />
-<br />
2<br />
60<br />
60<br />
-<br />
60<br />
201<br />
201<br />
-<br />
201<br />
19.04.'99<br />
Versuchstermin<br />
19.05.'99<br />
31.05.'99<br />
23.06.'99<br />
06.08.'99<br />
Baustoffe<br />
Beton<br />
Die Träger der Serie PS stammten alle aus der gleichen Betoncharge und wurden am<br />
gleichen Tag betoniert. Der Beton der Qualität B35/25 wurde von der Firma Hard <strong>AG</strong><br />
(Volketswil, ZH) hergestellt und mit dem Fahrmischer zur Verarbeitung an die EMPA<br />
Dübendorf transportiert. Die Frischbetonkontrolle ergab die in Tabelle 13 zusammengestellten<br />
Werte.<br />
Der Zuschlag bestand aus Rundkies mit einem Grösstkorndurchmesser von 32 mm<br />
und einer Korngrössenverteilung gemäss Bild 12. Als Bindemittel wurde Portlandzement<br />
Cem I 42.5 mit einer Dosierung von 300 kg/m3 verwendet.<br />
Trägerherstellung Lufporengehalt<br />
Verdichtungsmass<br />
nach Walz<br />
Ausbreitmass W/Z-Wert<br />
[%] [-] [cm] [-]<br />
19.04.1999 1.0 1.15 38 0.58<br />
Tabelle 13: Versuche PS – Eigenschaften des Frischbetons nach Norm SIA 162/1 (1989) [20]<br />
Mit Würfeldruckversuchen nach Norm SIA 162/1 [20] wurde die Druckfestigkeit<br />
ermittelt. Die drei Prüfkörper hatten eine Kantenlänge von 200 mm, waren am Tag der<br />
Prüfung 30 Tage alt und wurden mit einer Geschwindigkeit von 0.6 MPa/s belastet.<br />
Nachdem die Versuchsserie PS abgeschlossen war, wurde die Zugfestigkeit des Betons<br />
geprüft. Zu diesem Zweck wurden aus dem Versuchsträger PS3 fünf Bohrkerne mit<br />
Durchmesser 50 mm entnommen (Bohrrichtung „vertikal“), die Enden abgeschnitten<br />
und mit Stahlkappen für die Lagerung in der Zugprüfmaschine verklebt. Die schliesslich<br />
ca. 150 mm langen Zylinder wurden mit einer Belastungsgeschwindigkeit von<br />
0.05 MPa/s geprüft; das Alter zur Zeit der Prüfung betrug ca. 20 Monate. Alle Festigkeitsmesswerte<br />
sind in Tabelle 14 zusammengestellt.<br />
41
Bauteilversuche<br />
Bild 12: Versuche PS – Korngrössenverteilung des Betonzuschlags<br />
Würfeldruckversuche Bohrkernzugversuche<br />
Rohdichte WürfeldruckfestigBohrkernzugfestig- Bemerkung:<br />
keitkeit<br />
Bruch im/ bei...<br />
ρc<br />
Versuche 2395<br />
2393<br />
2399<br />
fcw<br />
fctb<br />
[kg/m 3 ] [MPa] [MPa]<br />
41.6<br />
42.8<br />
40.3<br />
2.2<br />
1.3<br />
2.6<br />
2.7<br />
2.3<br />
Mittelwert 2396 41.6 2.2<br />
Standardabweichung<br />
3.1 1.3 0.6<br />
Tabelle 14: Versuche PS – Festigkeitswerte des Betons<br />
Stahlbewehrung<br />
...Betongefüge<br />
...Betongefüge<br />
...Betongefüge<br />
...Bewehrungsstab<br />
...Bewehrungsstab<br />
Die Zug- und Druckbewehrung bestand aus geripptem Betonstahl mit nominellem<br />
Durchmesser Ø = 8 mm vom Typ topar-S (SIA-Register-Nr. 4.6: aus der Walzhitze<br />
vergütetes Stabmaterial der Firma Stahl Gerlafingen <strong>AG</strong>).<br />
An drei Proben wurden Zugversuche nach Norm SIA 162/1 [20] durchgeführt. In der<br />
Mitte der freien Prüflänge war ein kalibriertes Extensometer mit einer Basislänge von<br />
lo = 5·Ø = 40 mm angebracht, mit dem die Dehnung in diesem Bereich erfasst wurde.<br />
Vor Erreichen der Fliessspannung fy betrug die Prüfgeschwindigkeit ca. 20 MPa/s, danach<br />
wurde mit einer Verformungsgeschwindigkeit von (0.1·lo)/min gefahren. Bei einem<br />
der Versuche lag die Einschnürung ausserhalb von lo, deshalb fehlt der entfestigende<br />
42<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Sieblochdurchgang [Massen-%]<br />
0.125 0.25 0.5 1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 31.5 45.0<br />
Sieblochgrösse [mm]<br />
Beton der Träger PS<br />
Grenzbereich gemäss Norm SIA 162
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
Teil der Kurve. Die Spannungs-Dehnungsdiagramme sind in Bild 13 enthalten. Die<br />
mechanischen Kennwerte in Tabelle 15 beziehen sich alle auf den nominellen Querschnittsdurchmesser<br />
(und nicht auf den aus Wägung und Längenmessung bestimmten<br />
effektiven Durchmesser).<br />
Für die Bügelbewehrung wurde ein Betonstahl mit Durchmesser Ø = 8 mm vom Typ<br />
BSW-Super-Ring verwendet (SIA-Register-Nr. 13.4: warmgewalztes Ringmaterial der<br />
Firma Badische Stahlwerke GmbH). Dieses Material wurde ohne weitere Untersuchungen<br />
eingesetzt.<br />
Nennquerschnitt<br />
As,nom<br />
Versuche 50.3<br />
50.3<br />
50.3<br />
Querschnitt aus<br />
Wägemessung<br />
As,f(M,l,ρ)<br />
Fliessgrenze<br />
fy<br />
Zugfestigkeit<br />
[mm 2 ] [mm 2 ] [MPa] [MPa]<br />
51.0<br />
50.4<br />
51.1<br />
Mittelwert<br />
Standardabwei-<br />
50.3 50.8 554 616<br />
chung 0 0.4 11 17<br />
566<br />
544<br />
552<br />
Tabelle 15: Versuche PS – Mechanische Kennwerte der Biegebewehrung (Festigkeitswerte<br />
beziehen sich auf den Nennquerschnitt)<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
σ [MPa]<br />
0 50 100 150 200 250<br />
ε [‰]<br />
Bild 13: Versuche PS - Spannungs-Dehnungs-Diagramme der Biegebewehrung<br />
CFK-Lamellen<br />
Die für die Verstärkung der Träger eingesetzten CFK-Lamellen waren die eigentlichen<br />
Versuchsparameter. Die Materialeigenschaften sind in den Kapiteln 2.1.1 und 2.2.4<br />
ftk<br />
636<br />
608<br />
605<br />
43
Bauteilversuche<br />
dargestellt. In der Übersicht in Tabelle 12 sind die Versuche und die jeweils eingesetzten<br />
Lamellen zusammengefasst.<br />
Klebstoff<br />
Für die Applikation der Lamellen wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet. Die Eigenschaften<br />
dieses Klebstoffes sind in Kapitel 2.1.1 zusammengestellt.<br />
3.2.2 Versuchsdurchführung<br />
Versuchsanlage<br />
Für die Versuche wurde die in Bild 14 gezeigte Biege- und Scheiteldruckprüfmaschine<br />
der Firma Tonindustrie (Berlin) verwendet. Die Anlage besteht aus einem Rahmen, in<br />
welchen Bauteile mit einer Gesamtlänge von max. 2.4 m hineinpassen. In der Mitte des<br />
oberen Trägers ist eine hydraulische 400 kN-Presse befestigt, die von einer manuell gesteuerten<br />
Ölpumpe gespiesen wird. Die Vorrichtungen für die Bauteillagerung und für<br />
die Krafteinleitung sind verstell- bzw. auswechselbar, so dass eine Vielfalt von Versuchen<br />
durchgeführt werden kann.<br />
Bild 14: Tonindustrie Biege- und Scheiterdruckprüfmaschine<br />
(Baujahr 1967, Serie-Nr. 2626)<br />
Orientierung<br />
Die Prüfmaschine stand nahe an einer Wand, eine ungestörte Versuchsbeobachtung war<br />
daher nur von „vorne“ her möglich. Daraus ergaben sich die Bezeichnungen „links“,<br />
44
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
„rechts“ und „hinten“, wobei die Blickrichtung „vorne“ – „hinten“ in der Achse NNW –<br />
SSO lag.<br />
Lagerung und Krafteinleitung<br />
Für die Versuche am Plattenstreifen PS wurden die Auflagerblöcke so fixiert, dass die<br />
Spannweite zwischen den Auflagepunkten 2.1 m betrug. Die auf dem linken Block<br />
(entsprechend Bild 14) liegende Stahlrolle wurde gehalten, während die Rolle rechts<br />
horizontal verschieblich gelagert war. Mit zwei im Abstand von 0.48 m an einem Verteiljoch<br />
montierten Rollenlagern wurde die Kraft eingeleitet. Beide dieser Lager erlaubten<br />
horizontale Bewegungen des Prüfkörpers.<br />
Mit Mörtelbetten wurde eine einwandfreie Krafteinleitung an diesen Kontaktorten<br />
ermöglicht.<br />
Messungen<br />
Fest verdrahtete Messinstrumente<br />
Für die kontinuierliche Erfassung der globalen Biegeverformung wurden die sechs in<br />
Bild 15 dargestellten induktiven Wegaufnehmer (W3...W8) eingesetzt: W5 und W6 für<br />
die Durchbiegungsmessung in Trägermitte und W3, W4, W7 und W8 für die Messung<br />
der Durchbiegung bei den Krafteinleitungen.<br />
Die eingesetzten Aufnehmer hatten einen Messbereich von ±50 bzw. ±100 mm. Der<br />
maximal zu erwartende Fehler lag bei ±0.2% des Messwertes.<br />
Mit Hilfe von Dehnmessstreifen wurde die Betonstauchung in der Mitte der Trägeroberseite<br />
(DMS1) und die Dehnung in den Lamellenmitten (DMS2, DMS3) gemessen.<br />
Die Messlänge von DMS1 betrug 150 mm, die von DMS2 und DMS3 je 50 mm. Der<br />
Betrag des Messfehlers betrug (gemäss Herstellerangaben) maximal ±1% der Messlänge.<br />
Die Pressenkraft konnte über den in der Pressenkammer herrschenden Öldruck bestimmt<br />
werden. Die auf diese Weise bestimmte Kraft hatte (gemäss Kalibrierungsbericht)<br />
im Bereich bis 200 kN eine maximale Abweichung zum Sollwert von 0.74%.<br />
Die Registrierung aller von den fest verdrahteten Instrumenten stammenden Messwerte<br />
erfolgte automatisch in Zeitintervallen von 5 Sekunden.<br />
Manuelle Messungen<br />
Für eine etwas detailliertere Erfassung der Biegeverformungen wurden Aluminiumbolzen<br />
appliziert, die die 200 mm-Messstrecken D1...D27 markierten (Bild 15). Mit einem<br />
Deformeter (Setzdehnungsmessgerät mit Auflösungsvermögen 1 µm) konnte die Längenänderung<br />
dieser Strecken gemessen und die zugehörige mittlere Dehnung bestimmt<br />
werden.<br />
Damit eine z.B. temperaturbedingte Messgerätveränderung erfasst werden konnte,<br />
wurde folgender Messablauf eingehalten: Eichmessung am Invarstab (Messstrecke D0),<br />
Durchführung der eigentlichen Messung (Messstrecken D1...D27), Abschlussmessung<br />
am Invarstab (D28); die Abweichung von dieser letzten Eichmessung (D28) zur ersten<br />
Eichmessung (D0) wurde als systematischer Fehler interpretiert, der parallel zur Mess-<br />
45
Bauteilversuche<br />
reihe entstanden ist und daher zur Korrektur der „fehlerbehafteten“ Messungen<br />
(D1...D27) verwendet werden kann.<br />
Die Deformetermessung lieferte den Dehnungsverlauf entlang der Lamellen sowie<br />
die Verformung des Querschnitts in Trägermitte.<br />
Die während der Belastung auf der „Vorderseite“ entstandenen Risse wurde mit einem<br />
Filzstift nachgezeichnet und deren Breite auf Höhe der Zugbewehrung mit einem<br />
Rissmassstab (Auflösungsvermögen 0.05 mm) gemessen.<br />
[mm]<br />
Bild 15: Versuche PS - Messungen am Träger<br />
46<br />
vorne (hinten)<br />
hinten<br />
oben<br />
vorne<br />
vorne<br />
40 240 240 240<br />
hinten<br />
W4<br />
W6<br />
W3 W5 W7<br />
DMS3<br />
D14<br />
S1 S2 S3 S4 DMS2<br />
S5 S6 S7 S8<br />
unten<br />
D4<br />
D19<br />
D5<br />
D20<br />
W3 (W4) W5 (W6) W7 (W8)<br />
Q<br />
Q<br />
D6<br />
D21<br />
D7<br />
D22<br />
Legende<br />
Induktiver Wegaufnehmer (Ansicht)<br />
Induktiver Wegaufnehmer (Achsrichtung)<br />
DMS<br />
Deformetermessstrecke (500 mm)<br />
Deformetermessmarke Ansicht<br />
Deformeter für manuelle Messung<br />
Silverpaint-Streifen (bei PS4)<br />
D13<br />
D8<br />
D23<br />
D15<br />
D2 (D17)<br />
D3 (D18)<br />
W8<br />
D9<br />
D24<br />
116<br />
Lasteinleitplatte Lagerplatte<br />
D16<br />
DMS1<br />
D1<br />
175<br />
175<br />
42<br />
42<br />
25<br />
50<br />
50<br />
25<br />
75<br />
D10<br />
D25<br />
75<br />
W2, W4, W6<br />
hinten<br />
D11<br />
D26<br />
D12<br />
D27<br />
2550 50 25<br />
350<br />
75 75 100 100 75 75<br />
W3, W5, W7<br />
vorne<br />
116<br />
42<br />
42
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
Die Durchführung der manuellen Messungen erfolgte bei vorher festgelegten Laststufen.<br />
Hierbei wurde der Belastungsvorgang unterbrochen und die Verformung konstant<br />
gehalten, bis die Messungen abgeschlossen waren. Das Mittel von zwei vor<br />
Belastungsbeginn durchgeführten Nullmessungen diente als Referenz. Die Aufzeichnung<br />
der Deformetermessungen erfolgte direkt mit dem Computer, für die Protokollierung<br />
der Rissweiten wurden diese am Träger angeschrieben und fotografisch<br />
festgehalten.<br />
Zusatzmessung bei Versuch PS4: „Silverpaintmethode“ zur Erfassung des Abschälvorganges<br />
Bei Biegeversuchen an Stahlbetonträgern, die mit CFK-Lamellen verstärkt sind, wird<br />
meist ein vorzeitiges Versagen des Systems beobachtet: in einem Sekundenbruchteil<br />
lösen sich die Lamellen vom Träger ab („Abscheren“ bzw. „Abschälen“ der Lamellen).<br />
Dieser Vorgang läuft so schnell, dass er von blossem Auge oder mit gängigen Messungen<br />
(z.B. Videoaufnahme) nicht erfasst werden kann.<br />
Mit Hilfe der „Silverpaintmethode“ wurde der Abschervorgang genauer untersucht.<br />
Die Methode basiert auf einem einfachen Konzept: Mit stromleitfähiger Farbe („Silverpaint“)<br />
wurden acht Streifen (S1...S8) quer über die Lamellen auf der Trägerunterseite<br />
gemalt (Bild 15). Ein entlang einer Lamelle laufender Riss (=Lamellenablösen)<br />
musste diese Leiter unterbrechen, so dass von deren Versagensreihenfolge auf den Abschälursprung<br />
geschlossen werden konnte.<br />
1 kΩ<br />
2 kΩ<br />
Silverpaintstreifen<br />
am Betonbalken<br />
Bild 16: Schaltung zur Erfassung des Silverpaintstreifenleitfähigkeit<br />
S1<br />
S2<br />
U = konst.<br />
Oszilloskop<br />
U (Kanal 1)<br />
mess<br />
Für die Messung selbst wurde ein Oszilloskop verwendet, das mit einer hohen Abtastrate<br />
die Leitfähigkeit der Streifen kontrollierte. Das zur Verfügung stehende Gerät<br />
hatte vier Kanäle, so dass für die Überwachung von acht Streifen ein „Trick“ angewendet<br />
werden musste. Zu diesem Zweck wurden je zwei Streifen mit der in Bild 16 dargestellten<br />
Schaltung verbunden (S1+S2, S3+S4, S5+S6, S7+S8). Jeder Streifen wurde mit<br />
einem Vorwiderstand von unterschiedlicher Grösse (1 kΩ bzw.2kΩ) mit der Versorgungsspannung<br />
verbunden. Der Unterbruch eines einzelnen Silverpaintstreifens führte<br />
V<br />
100 Ω<br />
47
Bauteilversuche<br />
zu einer eindeutigen Spannungsänderung am 100Ω-Widerstand. Dadurch konnte klar<br />
zugeordnet werden, welcher Leiter zu welchem Zeitpunkt versagt hatte:<br />
� „kleiner“ Spannungsabfall bei Leiter S1, S3, S5, S7;<br />
� „grosser“ Spannungsabfall bei Leiter S2, S4, S6, S8.<br />
Der Arbeitsspeicher des Oszilloskops konnte pro Kanal maximal 106 Messwerte<br />
aufnehmen. Es wurde beschlossen, mit einer Messfrequenz von f =105 Hz zu arbeiten<br />
und damit ein Zeitfenster von 10 s zu erfassen. Das Versagen von Leiter S2 oder S7<br />
löste die Messung aus, dieses Ereignis selbst wurde an die Stelle 7 s im 10 s-Zeitfenster<br />
gelegt (Bild 23).<br />
Versuchsvorbereitung und -ablauf<br />
Versuchsvorbereitung<br />
Die wesentlichste Arbeit im Rahmen der Versuchsvorbereitung fand ungefähr eine<br />
Woche vor der Durchführung statt: das Verstärken das Trägers durch Aufkleben von<br />
zwei CFK-Lamellen. Diese Arbeit wurde entsprechend dem heute üblichen Vorgehen<br />
verrichtet, unabhängig also von der Art der Verstärkungslamelle.<br />
Folgende Zusammenstellung enthält eine stichwortartige Beschreibung der Arbeitsschritte<br />
(Vorgehen gemäss Sika [21]) :<br />
� Vorbereiten der Betonoberfläche (hier durch „Stocken“: Bearbeitung des Betons mit<br />
einem Schlaghammer bis eine rauhe Oberfläche vorliegt, die aus leicht freigelegten<br />
Zuschlagkörnern besteht).<br />
� Reinigen der gestockten Fläche mit Druckluft und Staubsauger.<br />
� Die für die Klebung vorgesehene Lamellenseite mit Lösungsmittel (z.B. Aceton) reinigen.<br />
� Klebstoff Sikadur-30 im Massenverhältnis Harz : Härter = 3:1 anmischen.<br />
� Mit Spachtel den Klebstoff in die rauhe gestockte Betonoberfläche einreiben und dann<br />
glatt abziehen.<br />
� Mit dem übrigen Klebstoff einen dachförmigen Auftrag auf der gereinigten Lamellenseite<br />
aufbringen („Giebelhöhe“ 2-3 mm).<br />
� Mit Hilfe eines Gummirollers die Lamelle andrücken, so dass der Klebstoff seitlich<br />
ausgepresst wird. Auf diese Weise wird eine gleichmässige Klebstoffschicht mit einer<br />
Dicke von ca. 1 mm angestrebt.<br />
Während der ersten 24 Stunden nach der Applikation der Lamellen wurden keine<br />
weitere Arbeiten am Träger verrichtet. Danach konnten die Aluminiumbolzen für die<br />
Deformetermessungen und die Dehnmessstreifen angebracht und der Versuchskörper<br />
weiss gestrichen werden.<br />
Für den Einbau in die Prüfmaschine wurde der Träger mit Mörtel auf die Stahlplatten<br />
der Rollenlager gebettet. Als letztes folgten die Anpassung der Krafteinleitung, die<br />
Montage und Einstellung der induktiven Wegaufnehmer sowie die Verkabelung und<br />
Justierung aller Messinstrumente.<br />
Die Vorbereitungen für die Durchführung der „Silverpaintmethode“ bei Versuch PS4<br />
waren nicht besonders aufwändig. An den Enden der geplanten Silverpaintstreifen<br />
48
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
wurden Kupfernieten an den Träger geklebt, dann wurden die Streifen selbst gemalt. An<br />
die Kupfernieten konnten dann die zum Oszilloskop führenden Kabel gehängt werden.<br />
Neben den technischen Vorbereitungen wurde im Rahmen der Vorarbeiten auch die<br />
Durchführung geplant, die wegen der unterschiedlichen Verstärkungen bei den einzelnen<br />
Versuchen leicht verschieden war. Die Grundlage dafür war die Berechnung der<br />
Riss-, der Stahlfliess- und der Versagenslast sowie der zugehörigen Verformungen. Mit<br />
dieser Prognose war die Festlegung der Laststufen für die manuellen Messungen möglich.<br />
Aus Gründen der Arbeitssicherheit musste die letzte Laststufe besonders sorgfältig<br />
geplant werden: wegen der Messarbeiten in unmittelbarer Trägernähe durfte die zugehörige<br />
Kraft nicht höher sein als 90% der prognostizierten Versagenskraft.<br />
Versuchsablauf<br />
Vor Belastungsbeginn wurden sowohl ein Nullabgleich der von den fest verdrahteten<br />
Instrumenten stammenden Messwerte als auch zwei Nullmessungen mit dem Deformeter<br />
durchgeführt.<br />
Durch manuelle Bedienung eines Handrads wurde die Kraft langsam gesteigert.<br />
Nachdem die für eine Laststufe massgebende Kraft oder Verformung erreicht war,<br />
konnte durch vorsichtige Regulierung an diesem Rad die Verformung konstant gehalten<br />
werden, bis die Messungen beendet und die fotografischen Aufnahmen gemacht waren.<br />
Mit diesen Resultaten und den Vergleichswerten, die bei der Berechnung bestimmt<br />
worden sind, war eine zuverlässige Versuchsüberwachung möglich. Nach Abschluss aller<br />
manueller Messarbeiten folgte wieder eine Phase der Kraftsteigerung bis zur nächsten<br />
Laststufe. Auf diese Weise wurde die Kraft kontinuierlich erhöht (ohne Entlastung),<br />
bis nach etwa 90 Minuten das Versagen erreicht war.<br />
3.2.3 Versuchsresultate<br />
Auswertung und Darstellung der Messdaten<br />
Fest verdrahtete Messinstrumente<br />
Die von den fest verdrahteten Instrumenten erhaltenen Signale wurden mit Hilfe von<br />
selbst bestimmten Eichprotokollen oder mit gerätespezifischen Umrechnungsparametern<br />
in die gesuchte Messgrösse umgewandelt. Der für die Messung eingesetzte Computer<br />
übernahm diese Aufgabe, so dass die auf diese Weise bestimmten Werte als „direkt<br />
gemessen“ bezeichnet werden. Für die Ermittlung von abgeleiteten Messwerten wurden<br />
manuelle Auswertungen durchgeführt.<br />
Die Wegaufnehmer (W3...W8) dienten der Messung der Trägerdurchbiegung bei den<br />
Krafteinleitungen und in der Trägermitte. Für die Erfassung einer allfälligen Torsionsverformung<br />
wurden an jeder dieser Stellen zwei Aufnehmer platziert: einer „vorne“ und<br />
einer „hinten“. Die Torsionsverformung erwies sich schliesslich als vernachlässigbar, so<br />
dass nur die Mittelwerte der von den Wegaufnehmerpaaren (W3,W4), (W5,W6) und<br />
(W7,W8) gemessenen Werte verwendet wurden.<br />
Die Änderung des elektrischen Widerstands eines Dehnmessstreifens gibt eine Angabe<br />
über die zugehörige Dehnung. Die Umrechnung wurde mit der Messsoftware des<br />
am Messverstärker angeschlossenen Computers durchgeführt.<br />
49
Bauteilversuche<br />
Die Kraftmessung erfolgte - wie bereits erwähnt - über den Öldruck in der Pressenkammer.<br />
Um Verwechslungen zu vermeiden, wurde die Bezeichnung dieser Gesamtkraft<br />
stets mit einem Zähler versehen, der der Anzahl der auf den Prüfkörper wirkenden<br />
Krafteinleitungen entsprach: Beim hier beschriebenen Vierpunkt-Biegeversuch gab es<br />
zwei Krafteinleitungen, die Gesamtkraft war also 2Q.<br />
In Tabelle 16 sind die Zusammenhänge zwischen den Messinstrumenten und den daraus<br />
folgenden Messwerten dargestellt.<br />
Manuelle Messungen<br />
Die mit dem Deformeter gemessene Längenänderungen der Strecken D1...D27 wurden<br />
zuerst korrigiert, um den beim Messvorgang entstandenen systematischen Fehler zu<br />
eliminieren (Kapitel 3.2.2). Dabei wurden die Werte um den an ihnen vermuteten Anteil<br />
(unter Annahme einer linearen Fehlerentstehung) des Gesamtfehlers (aus der Differenz<br />
der Eichmessungen am Invarstab, d.h. D28-D0) berichtigt. Danach folgte die<br />
Subtraktion der Nullmessung von allen übrigen Messungen und die Division dieser<br />
Differenzen durch die Basislänge der Messstrecken, um schliesslich die mittleren Dehungen<br />
zu erhalten.<br />
Die auf diese Weise ermittelten Lamellendehnungen werden direkt ausgewiesen. Die<br />
Dehnungen aus den Messstrecken D1...D3, D8, D13...D18 und D23 wurden für die Bestimmung<br />
der mittleren Querschnittsverformung verwendet. Für die zweidimensionale<br />
Darstellung in Bild 24 wurden aus den auf gleicher Querschnittshöhe liegenden Dehnungswerten<br />
der Mittelwert verwendet.<br />
In Tabelle 16 ist eine Übersicht über das Zustandekommen aller dargestellter Messresultate<br />
gegeben.<br />
Messinstrument/<br />
physische Messgrösse<br />
Induktive<br />
Wegaufnehmer<br />
Dehnmessstreifen<br />
Pressenkraft<br />
Deformetermessstrecken<br />
direkter Messwert abgeleiteter Messwert<br />
Messwert Auswertung Messwert Auswertung<br />
W3..W8 w1...w8 direkt gemessen wm<br />
DMS1<br />
DMS2<br />
DMS3<br />
D1...D3<br />
D13...D16<br />
D4...D12<br />
D19...D27<br />
εc (DMS1)<br />
εl (DMS2)<br />
εl (DMS3)<br />
direkt gemessen<br />
2Q 2Q direkt gemessen<br />
εc (D1)...εc (D3)<br />
εc (D13)...ε c (D16)<br />
εl (D4)...εl (D12)<br />
εl (D19)...εl (D27)<br />
Korrektur systematischer<br />
Messfehler, Differenzbildung<br />
zur Nullmessung, Bezug zur<br />
Basislänge<br />
Tabelle 16: Versuche PS - Vom Messinstrument zum Messwert<br />
50<br />
wQ,l<br />
wQ,r<br />
εc, sup<br />
εs, sup<br />
εs, inf<br />
εc, inf<br />
εl, m<br />
Mittelwert {w5, w6}<br />
Mittelwert {w3, w4}<br />
Mittelwert {w7, w8}<br />
Mittelwert {εc (D1), εc (D16)}<br />
Mittelwert {εc (D2), εc (D17)}<br />
Mittelwert {εc (D3), εc (D18)}<br />
Mittelwert {εc (D13)...εc (D15)}<br />
Mittelwert {εl (D8), εl (D23)}
„Silverpaintmethode“<br />
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
Jeder der vier Oszilloskopkanäle lieferte ein Diagramm, das den Zustand von je zwei<br />
Silverpaintstreifen während den letzten ca. 10 Sekunden vor dem Trägerversagen darstellte.<br />
Auf der Ordinate war die vom Gerät gemessene elektrische Spannung aufgetragen.<br />
Beim Versagen des einen Streifens kam es zu einem ersten, beim Versagen des<br />
zweiten Streifens zu einem weiteren Spannungsabfall. Diese Abfälle waren unterschiedlich<br />
gross, so dass eine eindeutige Zuordnung der Streifen möglich war.<br />
Das eigentliche Versagensereignis lag in einem sehr schmalen Abschnitt des 10-Sekunden-Zeitfensters.<br />
Dieser Bereich der vier Diagramme wurde zur genaueren Betrachtung<br />
übereinandergelegt.<br />
Versuch PS1<br />
Bei Versuch PS1 wurde ein Träger geprüft, der mit zwei <strong>thermoplastische</strong>n Lamellen<br />
der Generation 1 verstärkt war.<br />
Laststufe<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
2Q wm εc (DMS1) εl (DMS2) εl (DMS3) Bemerkung<br />
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]<br />
0.0<br />
0.0<br />
14.5<br />
14.4<br />
25.6<br />
24.1<br />
32.8<br />
30.2<br />
45.4<br />
41.7<br />
73.0<br />
68.7<br />
79.8<br />
76.4<br />
89.8<br />
86.6<br />
99.9<br />
95.8<br />
0.0<br />
0.0<br />
0.28<br />
0.29<br />
0.66<br />
0.66<br />
1.40<br />
1.32<br />
3.44<br />
3.35<br />
7.86<br />
7.87<br />
9.10<br />
9.13<br />
12.40<br />
12.5<br />
16.20<br />
16.3<br />
0<br />
0<br />
-0.06<br />
-0.06<br />
-0.13<br />
-0.13<br />
-0.25<br />
-0.25<br />
-0.45<br />
-0.44<br />
-0.77<br />
-0.76<br />
-0.87<br />
-0.87<br />
-1.10<br />
-1.11<br />
-1.33<br />
-1.34<br />
0<br />
0<br />
0.05<br />
0.05<br />
0.22<br />
0.26<br />
0.85<br />
0.93<br />
1.67<br />
1.66<br />
3.10<br />
3.07<br />
3.63<br />
3.63<br />
5.27<br />
5.26<br />
6.82<br />
6.77<br />
0<br />
0<br />
0.06<br />
0.06<br />
0.14<br />
0.15<br />
0.50<br />
0.59<br />
1.47<br />
1.46<br />
3.03<br />
3.02<br />
3.55<br />
3.56<br />
5.21<br />
5.23<br />
6.76<br />
6.71<br />
Nullmessungen<br />
ungerissen<br />
(Zustand I) 1)<br />
Erstriss bei<br />
2Q = ca. 26 kN<br />
Zustand II 1)<br />
Zustand II 1)<br />
Zustand II 1)<br />
Zustand II 1)<br />
Zustand III 1)<br />
Zustand III 1)<br />
Zustand III 1)<br />
110.0 20.49 -1.55 8.2 8.1 Höchstlast<br />
1) Zustand I: Träger ungerissen<br />
Zustand II: Träger gerissen, Stahlbewehrung unterhalb der Fliessgrenze beansprucht<br />
Zustand III: Träger gerissen, Stahlbewehrung im fliessen<br />
Tabelle 17: Versuch PS1 – Laststufen<br />
In Tabelle 17 sind die Laststufen aufgelistet, bei welchen manuelle Messungen<br />
durchgeführt wurden. In Bild 20 ist der Kraft-Durchbiegungsverlauf des Versuchs PS1<br />
enthalten. Um den Vergleich unter den einzelnen Versuchen zu vereinfachen wurden die<br />
51
Bauteilversuche<br />
dort dargestellten Kurven „geglättet“, indem die während dem Verweilen auf den Laststufen<br />
entstandenen Daten gelöscht wurden. In Bild 24 sind die Durchbiegungsverläufe<br />
bei den Krafteinleitungen und in Trägermitte sowie die Lamellendehnungen und die<br />
Stauchung auf der Trägeroberseite gegeben (Messdaten ohne Glättung). Bild 25 enthält<br />
den Dehnungszustand der Lamellen und des Querschnitts in Trägermitte bei einigen<br />
ausgewählten Laststufen.<br />
Bild 17: Versuch PS1 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers<br />
Bei 2Q = 26 kN wurde der erste Riss erkannt (Übergang Zustand I – Zustand II).<br />
Entsprechend den geplanten Laststufen wurde die Kraft weiter gesteigert, bei<br />
2Q = ca. 74 kN begann der Bewehrungsstahl zu fliessen (Übergang Zustand II – Zustand<br />
III) und bei 2Q = 110 kN versagte der Träger durch plötzliches Abscheren der<br />
Lamelle.<br />
Im Verlauf dieser Belastungsgeschichte hatten sich stetig neue Risse gebildet, eine<br />
Entwicklung, die ausserhalb des Trägermittelbereichs auch nach Überschreiten des<br />
Stahlfliessens noch anhielt und schliesslich zu einem recht ausgeglichenen Rissbild<br />
führte. In der bügelfreien Trägermitte verliefen die Risse vertikal mit einem mittleren<br />
Abstand von ca. 101 mm (Zustand nach Versagen des Trägers), während sie ausserhalb<br />
52
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
dieser Zone vertikal bis leicht geneigt waren und an den Orten der Schubbügel lagen.<br />
Nach dem Versagen des Trägers konnten insgesamt 15 Risse gezählt werden. Die Entwicklung<br />
des Rissbildes und die Rissweiten auf der Höhe der Stahlbewehrung sind in<br />
Bild 17 dargestellt.<br />
Nach Versagen des Trägers waren beide Lamellen auf der „rechten“ Seite abgelöst.<br />
Die ursprünglich am Träger haftende Seite der Lamelle war vorwiegend schwarz und<br />
sah fast unbeschädigt aus, während am Beton ein durchgehender grauer Klebstoffstreifen<br />
zurückgeblieben war (Bild 18a)). Offenbar hatte hier der Verbund zwischen Lamelle<br />
und Klebstoff versagt. Daneben hatte es aber auch andere (kleinere) Bereiche, in welchen<br />
die Versagensebene innerhalb der Lamelle oder der Klebstoffschicht (beides vor<br />
allem im Trägerendbereich zu finden) oder im Beton (im Trägermittelbereich zu finden)<br />
lag.<br />
Der Ursprung des Ablösens konnte wegen der hohen Geschwindigkeit des Vorgangs<br />
nicht bestimmt werden.<br />
Bild 18: Versuche PS1,PS2, PS4 – Abgeschälte Lamellen<br />
Versuch PS2<br />
Bei Versuch PS2 war der Prüfkörper mit zwei Lamellen des Typs Sika CarboDur S512<br />
verstärkt.<br />
Die Laststufen für die manuellen Messungen sind in Tabelle 18 gegeben. Die Resultate<br />
der kontinuierlichen Messungen sind in Bild 20 und Bild 24 dargestellt, ausgewählte<br />
Dehnungszustände aus den manuellen Messungen sind in Bild 25 enthalten.<br />
Bei 2Q = 28 kN bildete sich der erste Riss, bei 2Q = ca. 78 kN begann der Stahl zu<br />
fliessen. Das Versagen folgte bei 2Q = ca. 127 kN durch plötzliches Abscheren der<br />
Lamellen.<br />
Die Rissentwicklung verlief ähnlich wie bei Versuch PS1: Die Rissbildung ausserhalb<br />
der Trägermitte hielt an bis zu einer Kraft, bei welcher die Stahlfliessgrenze schon<br />
deutlich überschritten war (Bild 19). Auch das am Schluss vorliegende Rissbild liess<br />
53
Bauteilversuche<br />
sich mit dem von PS1 (Bild 17) vergleichen, wenn auch hier etwas mehr Risse entstanden<br />
waren (ca. 17 Risse) und die Abstände im bügelfreien Bereich leicht geringer waren<br />
(ca. 94 mm).<br />
Beim Versagen hatten sich die Lamellen auf der „linken“ Seite gelöst. Die äusserste<br />
Betonschicht wurde über weite Bereiche mitgerissen. Dieser an den Lamellen verbliebene<br />
„Mörtel“ hatte eine Dicke von ca. 1 bis 3 mm, darin eingebettet waren Zuschlagkörner<br />
mit Durchmesser bis ca. 5 mm (Bild 18b)). Am Lamellenende sah die<br />
Trennfläche anders aus. Hier waren sowohl die Lamelle als auch der Beton des Trägers<br />
mit einer lückenlosen grauen Klebstoffschicht bedeckt, die Trennfläche lag in diesem<br />
Abschnitt also in der Klebstoffschicht.<br />
Auch bei Versuch PS2 hatte sich das Ablösen so schnell ereignet, dass keine Aussage<br />
über den Ursprung dieses Vorgangs möglich war.<br />
Bild 19: Versuch PS2 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers<br />
54
Lststufe<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
2Q wm εc (DMS1) εl (DMS2) εl (DMS3) Bemerkung<br />
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]<br />
0.0<br />
0.0<br />
14.7<br />
14.6<br />
27.8<br />
27.8<br />
39.2<br />
36.8<br />
50.9<br />
48.6<br />
78.1<br />
74.4<br />
89.2<br />
86.0<br />
99.6<br />
93.6<br />
108.7<br />
105.0<br />
0.00<br />
0.00<br />
0.30<br />
0.33<br />
0.84<br />
0.84<br />
2.21<br />
2.21<br />
4.04<br />
4.06<br />
8.03<br />
8.03<br />
9.63<br />
9.61<br />
12.00<br />
11.93<br />
14.64<br />
14.63<br />
0<br />
0<br />
-0.06<br />
-0.06<br />
-0.14<br />
-0.14<br />
-0.34<br />
-0.34<br />
-0.54<br />
-0.53<br />
-0.83<br />
-0.82<br />
-0.96<br />
-0.95<br />
-1.15<br />
-1.14<br />
-1.33<br />
-1.32<br />
0<br />
0<br />
0.06<br />
0.05<br />
0.17<br />
0.17<br />
0.94<br />
0.94<br />
1.71<br />
1.69<br />
2.91<br />
2.89<br />
3.44<br />
3.42<br />
4.60<br />
4.55<br />
5.62<br />
5.58<br />
0<br />
0<br />
0.06<br />
0.06<br />
0.20<br />
0.21<br />
1.00<br />
1.00<br />
1.70<br />
1.70<br />
2.99<br />
2.97<br />
3.56<br />
3.54<br />
4.74<br />
4.68<br />
5.79<br />
5.74<br />
Nullmessungen<br />
ungerissen<br />
(Zustand I)<br />
Erstriss bei<br />
2Q = ca. 28 kN<br />
Zustand II<br />
Zustand II<br />
Zustand II<br />
Übergang<br />
Zustand II - III<br />
Zustand III<br />
Zustand III<br />
Zustand III<br />
127.1 20.07 -1.63 7.28 7.49 Höchstlast<br />
Tabelle 18: Versuch PS2 – Laststufen<br />
125<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
0<br />
2Q [kN]<br />
PS2<br />
PS1<br />
nach Erreichen des Lamellenabschälens:<br />
Versuchsabbruch<br />
nach Erreichen des Lamellenabschälens:<br />
Kraftabfall und weiterer Verlauf<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80<br />
wm [mm]<br />
Bild 20: Versuche PS1...PS4 – Vergleich der Kraft-Durchbiegungskurven<br />
PS4<br />
PS3<br />
55
Bauteilversuche<br />
Versuch PS3<br />
PS3 war der Referenzversuch am unverstärkten Träger. Mit den hierbei gewonnenen<br />
Resultaten sollte die Wirsamkeit der Verstärkungen beurteilt werden können, die bei<br />
den übrigen Versuchen appliziert waren. In Tabelle 19 sind die Laststufen dieses Versuchs<br />
gegeben.<br />
Bei 2Q = 26 kN wurden gleich zwei „Erstrisse“ entdeckt. Das Stahlfliessen begann<br />
bei 2Q = ca. 55 kN. Nach Erreichen der Kraft 2Q = 66 kN und der zugehörigen Mittendurchbiegung<br />
von wm = 56 mm, fing die Kraft langsam an abzufallen.<br />
Die Rissbildung begann in der Trägermitte, mit fortschreitender Verformung entstanden<br />
dann immer näher bei den Auflagern liegende Risse. Am Schluss präsentierte<br />
sich ein ausgeglichenes Bild von 10 meist vertikalen, sich z.T. gegen die Druckzone<br />
verästelnden Rissen, die in der bügelfreien Trägermitte einen Abstand von ca. 171 mm<br />
hatten (Bild 21).<br />
Der Versagensvorgang war ein duktiler Prozess nach dem Modus „Betonbruch bei<br />
Stahlfliessen“.<br />
Laststufe<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
2Q wm εc, sup εc, inf Bemerkung<br />
[kN] [mm] [‰] [‰]<br />
0.0<br />
0.0<br />
14.6<br />
14.5<br />
27.3<br />
23.4<br />
33.9<br />
30.9<br />
39.5<br />
36.5<br />
48.2<br />
44.1<br />
54.9<br />
52.9<br />
58.6<br />
56.3<br />
64.5<br />
62.8<br />
0.00<br />
0.00<br />
0.20<br />
0.20<br />
1.16<br />
1.08<br />
2.85<br />
2.67<br />
4.14<br />
3.99<br />
5.76<br />
5.50<br />
14.87<br />
14.75<br />
24.59<br />
24.65<br />
49.43<br />
49.76<br />
0.00 0.00 Nullmessungen<br />
-0.05 0.07<br />
-0.18 0.30<br />
ungerissen<br />
(Zustand I)<br />
Erstriss bei 2Q = ca. 26 kN<br />
Zustand II<br />
-0.42 1.50 Zustand II<br />
-0.54 2.13 Zustand II<br />
-0.67 2.80 Zustand II<br />
-1.61 13.88 Zustand III<br />
-2.04 18.37 Zustand III<br />
-3.79 24.01 Zustand III<br />
66.19 56.26 - - Höchstlast<br />
58.0<br />
57.1<br />
65.92<br />
66.03<br />
Tabelle 19: Versuch PS3 - Laststufen<br />
56<br />
- - Zustand III
Bild 21: Versuch PS3 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers<br />
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
Versuch PS4<br />
Im Versuch PS4 wurde ein Träger geprüft, der mit zwei <strong>thermoplastische</strong>n Lamellen der<br />
Generation 2 verstärkt war. Bei Versuch PS1 hatte sich herausgestellt, dass der Verbund<br />
der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle der Generation 1 zum Klebstoff Sikadur-30 ungenügend<br />
war. Aus diesem Grund wurde die Generation 2 entwickelt (Kapitel 2.2.4), welche mittels<br />
der modifizierten Oberfläche („Käsestruktur“) einen besseren Verbund ermöglichen<br />
sollte. In Tabelle 20 sind die Laststufen für die Durchführung der manuellen Messungen<br />
gegeben.<br />
Ein Kraftabfall bei 2Q = 25 kN deutete die Entstehung des ersten Risses an, dieser<br />
konnte aber visuell nicht gefunden werden. Das Fliessen der Bewehrung folgte bei<br />
2Q = ca. 75 kN und das spröde Versagen durch Lamellenabscheren bei 2Q = 110 kN.<br />
Die Rissentwicklung und das Rissbild waren vergleichbar mit den Versuchen PS1<br />
und PS2. Nach dem Versagen des Trägers wurden 15 Risse gezählt, die in Trägermitte<br />
liegenden hatten einen mittleren Abstand von ca. 89 mm (Bild 21).<br />
Die im Versuch PS4 gemessenen Kraft- und Verformungswerte waren fast identisch<br />
mit denjenigen aus Versuch PS1, und das Versagen erfolgte ebenfalls durch Abschälen<br />
der Lamellen. Trotzdem erwies sich die Verbesserung der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle<br />
von der Generation 1 zur Generation 2 als Erfolg: die Versagensebene lag nicht mehr in<br />
der Grenzschicht Klebstoff-Lamelle, sondern zum grössten Teil im Beton, wie bei Versuch<br />
PS2 (Bild 18).<br />
57
Bauteilversuche<br />
Bild 22: Versuch PS4 - Entwicklung der Risse und Versagen des Trägers<br />
Laststufe<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
2Q wm εc (DMS1) εl (DMS2) εl (DMS3) Bemerkung<br />
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]<br />
0.0<br />
0.0<br />
14.7<br />
14.7<br />
29.7<br />
30.0<br />
45.6<br />
45.1<br />
73.1<br />
73.1<br />
80.2<br />
78.7<br />
90.1<br />
89.6<br />
99.9<br />
99.7<br />
0.00<br />
0.00<br />
0.26<br />
0.29<br />
0.61<br />
0.69<br />
3.32<br />
3.49<br />
8.01<br />
8.12<br />
8.24<br />
9.28<br />
12.61<br />
12.75<br />
16.12<br />
16.67<br />
0<br />
0<br />
-0.05<br />
-0.06<br />
-0.12<br />
-0.13<br />
-0.45<br />
-0.46<br />
-0.76<br />
-0.77<br />
-0.85<br />
-0.86<br />
-1.09<br />
-1.10<br />
-1.31<br />
-1.34<br />
0<br />
0<br />
0.07<br />
0.07<br />
0.23<br />
0.26<br />
1.68<br />
1.72<br />
3.10<br />
3.15<br />
3.54<br />
3.60<br />
5.10<br />
5.16<br />
6.50<br />
6.64<br />
0<br />
0<br />
0.05<br />
0.05<br />
0.13<br />
0.14<br />
1.15<br />
1.20<br />
2.64<br />
2.72<br />
3.10<br />
3.20<br />
4.78<br />
4.85<br />
6.20<br />
6.35<br />
Nullmessungen<br />
ungerissen<br />
(Zustand I)<br />
Erstriss bei<br />
2Q = ca. 25 kN<br />
(Zustand II)<br />
Zustand II<br />
Zustand II<br />
Zustand III<br />
Zustand III<br />
Zustand III<br />
109.7 20.9 -1.52 7.72 7.45 Höchstlast<br />
Tabelle 20: Versuch PS4 – Laststufen<br />
58
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
Zur Erfassung des plötzlichen Lamellenabschälens wurde bei Versuch PS4 die „Silverpaintmethode“<br />
angewendet. In Bild 23 ist das Resultat dieser Messung dargestellt:<br />
Der Streifen S5 versagte vor dem Auslösen der Messung und lag auch ausserhalb des<br />
10s-Zeitfensters. Vermutlich hat ein Biegeriss zu diesem Unterbruch geführt. Danach<br />
folgten die Streifen S8, S7 und S6. Das Lamellenablösen kam also offenbar von der<br />
„rechten“ Verankarungszone. Der Grund für die „falsche“ Reihenfolge der Streifen S3<br />
und S4 ist unklar. Das Abscheren kam vor Erreichen der Streifen S1 und S2 zum Stillstand,<br />
deshalb blieben diese Leiter bis am Schluss ununterbrochen.<br />
U<br />
Versagen<br />
S8<br />
6608.2 6608.4<br />
Versagen S7<br />
Versagen S6<br />
Versagen<br />
S3<br />
6999.8 7001.2<br />
t [ms]<br />
K1: S1+S2<br />
K2: S3+S4<br />
K3: S5+S6<br />
K4: S7+S8<br />
S1 S2<br />
4. S3 5. S4 S5<br />
3. S6<br />
(bei 7001.15 ms) (bei 7054.85 ms) (bei 7000.01 ms)<br />
Bild 23: Versuch PS4 – Lamellenablösen gemäss „Silverpaintmethode“<br />
2. S7<br />
(bei 6999.80 ms)<br />
Versagen<br />
S4<br />
7054.8 7055.0<br />
1. S8<br />
(bei 6608.25 ms)<br />
59
Bauteilversuche<br />
PS1<br />
PS2<br />
PS3<br />
PS4<br />
Bild 24: Versuche PS1...PS4 – Kraft-Durchbiegungs- und Kraft-Dehnungs-Diagramme<br />
60<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
2Q [kN]<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
7<br />
6<br />
5<br />
8<br />
110 kN<br />
nach Erreichen des Lamellenabschälens:<br />
Kraftabfall und weiterer Verlauf<br />
wm wQ,l wQ,r 0<br />
2Q [kN]<br />
w [mm]<br />
80<br />
2<br />
1<br />
3<br />
4<br />
5<br />
8<br />
7<br />
6<br />
127 kN<br />
nach Erreichen des Lamellenabschälens:<br />
Versuchsabbruch<br />
wm wQ,l wQ,r 0<br />
2Q [kN]<br />
w [mm]<br />
80<br />
5 6 7<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
wm wQ,l wQ,r 0<br />
2Q [kN]<br />
w [mm]<br />
80<br />
2<br />
1<br />
3<br />
4<br />
6<br />
5<br />
7<br />
110 kN<br />
nach Erreichen des Lamellenabschälens:<br />
Kraftabfall und weiterer Verlauf<br />
8<br />
wm wQ,l wQ,r 0 w [mm]<br />
80<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
2Q [kN]<br />
8.2 ‰<br />
ε c (DMS 1)<br />
ε l (DMS 3)<br />
ε l (DMS 2)<br />
-2.0<br />
2Q [kN]<br />
ε [‰] 10.0<br />
7.4 ‰<br />
ε c (DMS 1)<br />
ε l (DMS 3)<br />
ε l (DMS 2)<br />
-2.0<br />
2Q [kN]<br />
ε [‰] 10.0<br />
εc sup<br />
εc inf<br />
-2.0<br />
2Q [kN]<br />
ε [‰] 10.0<br />
7.6 ‰<br />
ε c (DMS 1)<br />
ε l (DMS 2)<br />
ε l (DMS 3)<br />
-2.0 ε [‰] 10.0
PS1<br />
PS2<br />
PS3<br />
PS4<br />
0.0<br />
7.0<br />
0.0<br />
7.0<br />
0.0<br />
7.0<br />
0.0<br />
7.0<br />
-100<br />
100<br />
0.0<br />
7.0<br />
0.0<br />
7.0<br />
ε l [‰]<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
-800<br />
εl [‰]<br />
x [mm]<br />
800<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
-800 800<br />
x [mm]<br />
z [mm]<br />
1) Dehnungen εl(D4)...εl(D12)<br />
2) Dehnungen εl(D19)...εl(D27)<br />
3) Dehnungen εc,sup, εs,sup, εs,inf, εc,inf, εl,m (von „oben“ nach „unten“)<br />
4) Dehnungen εc,sup, εs,sup, εs,inf, εc,inf (von „oben“ nach „unten“)<br />
Bild 25: Versuche PS1...PS4 – Dehnungen bei vergleichbaren Laststufen<br />
Versuche am Träger PS: Vierpunkt-Biegeversuche<br />
-100<br />
100<br />
-100<br />
100<br />
z [mm]<br />
Laststufe:<br />
2<br />
3<br />
5<br />
7<br />
-2.0 ε [‰] 7.0<br />
3)<br />
z [mm]<br />
Laststufe:<br />
2<br />
4<br />
5<br />
7<br />
-2.0 ε [‰] 7.0<br />
3)<br />
-4.0 ε [‰] 30.0<br />
εl [‰]<br />
4)<br />
z [mm]<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
-800 x [mm]<br />
800<br />
-100<br />
100<br />
Laststufe:<br />
Laststufe:<br />
2<br />
5<br />
8<br />
2<br />
3<br />
5<br />
7<br />
-2.0 ε [‰] 7.0<br />
3)<br />
61
Bauteilversuche<br />
Folgerungen aus den Versuchen am Träger PS<br />
Die Kurzzeitversuche am Träger PS haben gezeigt, dass mit der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle<br />
und mit dem Produkt Sika CarboDur S512 eine vergleichbare Verstärkungswirkung<br />
erzielt wird. Gegenüber dem unverstärkten Träger wird eine deutlich höhere<br />
Versagenslast bei allerdings viel geringerer Verformung erreicht (wegen der etwas tieferen<br />
Steifigkeit der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle liegt die entsprechende Versagenslast<br />
geringfügig unter derjenigen, die mit der Lamelle Sika CarboDur S512 erreicht wird).<br />
Die Festigkeit der CFK-Lamellen wurde bei keinem der Versuche massgebend, sie ist<br />
demzufolge ausreichend hoch.<br />
Die Weiterentwicklung der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle von der Generation 1 zur<br />
Generation 2 hat dazu geführt, dass die Abscherebene nicht mehr in der Grenzschicht<br />
Lamelle – Klebstoff sondern innerhalb des Betonträgers lag. Damit war das Ziel erreicht,<br />
wonach die Festigkeit der Verbindung Lamelle – Klebstoff höher sein sollte als<br />
die Festigkeit des Betongefüges.<br />
62
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
3.3 Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
3.3.1 Der Träger LV<br />
Mit den Langzeitversuchen sollte eine möglichst wirklichkeitsnahe Tragwerksbeanspruchung<br />
nachgestellt werden. Wegen der langen Versuchszeit in einem zimmergrossen<br />
Klimaraum und dem Wunsch, zwei Versuche parallel zu betreiben, war die<br />
Prüfkörpergrösse beschränkt.<br />
Am Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK) der ETH Zürich konnten fünf geeignete<br />
Träger gefunden werden. Die Versuchskörper wurden ca. 1986 hergestellt und<br />
hatten daher ein mit reellen Tragwerken vergleichbares Alter, so dass auch ein ähnliches<br />
Kriechverhalten erwartet werden konnte.<br />
Entsprechend dem Einsatzzweck werden die Versuchskörper und die Versuche als<br />
„LV“ („Langzeitversuche“) bezeichnet.<br />
Abmessung und Bewehrung<br />
In Bild 11 sind die Masse und die Bewehrung des Trägers LV und die Orte der Krafteinleitung<br />
gegeben. Die Prüfkörper waren ursprünglich für den Einsatz als Stützen mit<br />
gleicher Biegesteifigkeit um beide Hauptachsen geplant. Aus diesem Grund war der<br />
Querschnitt quadratisch mit einem Bewehrungeisen in jeder Ecke. Für Anschlusszwecke<br />
ragten die Stäbe am „vorderen“ Ende um 300, am „hinteren“ Ende um 100 mm aus dem<br />
Träger heraus. In Abständen von 100 mm wurden Bügel angeordnet, die die Längseisen<br />
umschlossen und von 22 mm Beton überdeckt waren.<br />
Insgesamt wurden vier Versuche durchgeführt: LV1* und LV1 waren mit je einer<br />
<strong>thermoplastische</strong>n Lamelle der Generation 2 verstärkt, LV2* und LV2 mit je einer Lamelle<br />
Sika CarboDur S512.<br />
Eine Zusammenstellung der Geometrie und der verwendeten Lamellen ist in Tabelle<br />
21 gegeben.<br />
Bez. Prüfkörper Bewehrung Lamellen Herstellung<br />
LV1*<br />
LV2*<br />
LV1<br />
LV2<br />
l b h As ζ(As) As' ζ(As') Bügel Typ Anz. Al 1) ζ(Al)<br />
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm]<br />
2500 160 160 308 125 308 35<br />
2500 160 160 308 125 308 35<br />
1) nominelle Werte<br />
Tabelle 21: Versuche LV – Zusammenstellung<br />
Ø6,<br />
s=100<br />
Ø6,<br />
s=100<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 2 1 60 161<br />
CarboDur S512 1 60 161<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 2 1 60 161<br />
CarboDur S512 1 60 161<br />
ca.<br />
1986<br />
ca.<br />
1986<br />
Versuchszeitraum<br />
07.-<br />
25.02.'00<br />
29.02.'00 -<br />
14.01.'02<br />
...<br />
63
Bauteilversuche<br />
2 ø 14<br />
2 ø 14<br />
Bild 26: Versuche LV - Trägermasse, Bewehrung und Laststellung<br />
Baustoffe<br />
Beton<br />
Über die Beschaffenheit des Betons konnte nur wenig in Erfahrung gebracht werden. Es<br />
handelt sich um einen gewöhnlichen Beton mit einem Grösstkorndurchmesser von<br />
16 mm. Der Zementgehalt betrug 325 kg/m3 , der W/Z-Wert ca. 0.45 und als Zusatzmittel<br />
wurde 1% des Verflüssigers Sikament beigegeben.<br />
Zur Untersuchung der Zugfestigkeit wurden 50 mm-Bohrkerne entnommen und im<br />
einaxialen Zugversuch geprüft. Das Vorgehen ist in Kapitel erläutert, die Resultate sind<br />
in Tabelle 22 enthalten.<br />
Bohrkernzugfestigkeit<br />
fctb<br />
[MPa]<br />
Versuche 2.8<br />
2.8<br />
2.3<br />
2.1<br />
2.9<br />
Mittelwert 2.6<br />
Standardabweichung 0.4<br />
Tabelle 22: Versuche LV - Zugfestigkeit aus Bohrkernzugversuch<br />
64<br />
100<br />
[mm]<br />
Q = 17.6 kN<br />
Bg ø 6, s=100<br />
1000<br />
2180 (Lamellenlänge)<br />
300 1000<br />
2500<br />
Stahlplatte<br />
60×160×15<br />
2 ø 14<br />
Bg ø 6, s =100<br />
2 ø 14<br />
Betonüberdeckung 22<br />
Q<br />
60<br />
50<br />
160<br />
100<br />
Bemerkung:<br />
Bruch im...<br />
...Betongefüge<br />
...Betongefüge<br />
...Betongefüge<br />
...Betongefüge<br />
...Betongefüge<br />
Stahlplatte<br />
100×40×10<br />
CFK - Lamelle<br />
ζ<br />
160<br />
35<br />
90<br />
35
Stahlbewehrung<br />
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
Für die Längsbewehrung wurde ein gerippter Betonstahl vom Typ topar 500 S (SIA-<br />
Register-Nr. 3.1: aus der Walzhitze vergütetes Stabmaterial der Firma Von Moos Stahl<br />
<strong>AG</strong>) mit nominellem Durchmesser Ø =14 mm verwendet.<br />
Nach Abschluss der Versuche LV1* und LV2* wurden zwei Stäbe freigespitzt und<br />
Zugversuche durchgeführt. Die Prüfungen wurden entsprechend den Ausführungen in<br />
Kapitel 3.2.1 durchgeführt. Die Spannungs-Dehnungsdiagramme sind in Bild 27 gegeben,<br />
die mechanischen Kennwerte können Tabelle 23 entnommen werden; alle Werte<br />
beziehen sich auf den nominellen Durchmesser.<br />
Die Bügel bestanden aus geripptem Baustahl mit Ø = 6 mm; dieser wurde nicht weiter<br />
untersucht.<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
σ [MPa]<br />
0 50 100 150 200 250<br />
ε [‰]<br />
Bild 27: Versuche LV – Spannungs-Dehnungsdiagramme der Längsbewehrung<br />
Nennquerschnitt<br />
As,nom<br />
Versuche 153.9<br />
153.9<br />
Querschnitt aus<br />
Wägemessung<br />
As,f(M,l,ρ)<br />
Fliessgrenze<br />
fy<br />
Zugfestigkeit<br />
[mm 2 ] [mm 2 ] [MPa] [MPa]<br />
149.6<br />
150.8<br />
497<br />
517<br />
ftk<br />
605<br />
624<br />
Mittelwert 153.9 150.2 507 614.5<br />
Tabelle 23: Versuche LV – Mechanische Kennwerte der Biegebewehrung (Festigkeitswerte beziehen<br />
sich auf den Nennquerschnitt)<br />
CFK-Lamellen<br />
Die für die Verstärkung der Langzeitversuchsträger eingesetzten Lamellen sind in Tabelle<br />
21 zusammengestellt. Deren Materialeigenschaften sind in den Kapiteln 2.1.1 und<br />
2.2.4 erläutert.<br />
65
Bauteilversuche<br />
Klebstoff<br />
Für die Applikation der Lamellen wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet. Die Eigenschaften<br />
dieses Klebstoffes sind in Kapitel 2.1.1 zusammengestellt.<br />
3.3.2 Versuchsdurchführung<br />
Versuchsanlage<br />
Für die Durchführung der Versuche in der Klimakammer wurde ein dafür geeigneter<br />
Versuchsstand entworfen und gebaut. Von dieser Anlage wurde verlangt, dass mit Hilfe<br />
von Gewichten eine hohe Prüfkörperbeanspruchung erreicht wird und dass trotz knapper<br />
Platzverhältnisse zwei Träger gleichzeitig geprüft werden können.<br />
In Bild 28 ist der Versuchsstand im Klimaraum abgebildet. Für die Erläuterung des<br />
Lagerungs- und Belastungskonzepts ist in Bild 29 der Versuchsstand mit nur einem<br />
Prüfkörper gezeigt. Auf dem grossen Betonwürfel in der Mitte steht zur Erhöhung ein<br />
kleiner Würfel, darauf wiederum liegt eine Stahlschaukel für die Lagerung des Trägers.<br />
Mit hängenden Betonwürfeln wurde die (negative) Biegebeanspruchung realisiert: die<br />
Seilumlenkung bewirkte einen Flaschenzugeffekt der dazu führte, dass an den Trägerenden<br />
das doppelte Würfelgewicht lastete. Die Seile führten zu einem Stahlträger am<br />
Boden, der den Kraftfluss innerhalb des Systems wieder schloss.<br />
Für eine bessere Verteilung der Flächenpressung wurde der als Auflager dienende<br />
Betonwürfel auf Schaltafeln aus Holz abgestellt.<br />
Die Klimakammer war ein isolierter Raum mit ca. 2.5·6 m 2 Grundrissfläche. Ein stufenlos<br />
einstellbarer 6 kW-Heizlüfter erzeugte die im Raum gewünschte Temperatur. Für<br />
die Regelung der Luftfeuchtigkeit wurde ein Zerstäuber mit fest angeschlossener Wasserleitung<br />
eingesetzt.<br />
Niveau der Trägerbeanspruchung<br />
Bei der Bemessung von Klebebewehrungen wird unter anderem verlangt, dass die<br />
Spannung in der inneren Bewehrung des verstärkten Bauteils im Gebrauchszustand unter<br />
keinen Umständen die Fliessgrenze erreicht (Deuring [4]). Basierend auf dieser<br />
Forderung wurde die Beanspruchung des Trägers LV festgelegt: die Spannung in der<br />
inneren Bewehrung sollte sich im Bereich der Fliessgrenze befinden, so dass sich der<br />
Träger im höchstzulässigen Gebrauchszustand befindet. Dies bedeutet auch, dass bei<br />
einem Ausfall der Lamelle ein Versagen des Trägers zu erwarten ist.<br />
Orientierung<br />
Die zwei gleichzeitig geprüften Versuchsträger waren beide parallel zur langen Wand<br />
des Klimaraums gelagert. Die Orientierungsbezeichnungen folgten aus der Betrachtung<br />
von der Tür in der „vorderen“ kurzen Wand des Klimaraums. Es gab also eine Krafteinleitung<br />
„vorne“, eine „hinten“. Die sich gegenüberliegenden Prüfkörperlängsseiten<br />
lagen „innen“, die anderen „aussen“.<br />
Die Prüfkörperachse „vorne“ – „hinten“ lief von NNW nach SSO.<br />
66
Bild 28: Versuche LV – Versuchsstand im Klimaraum<br />
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
Lagerung und Krafteinleitungen<br />
Für die Lagerung in Prüfkörpermitte wurde eine aus einer Platte mit drei aufgeschweissten<br />
Halbzylindern bestehenden Stahlschaukel verwendet (Bild 29). Jeder der<br />
Stahlhalbzylinder lag in der Dreiecksnut einer Stahlplatte, die über ein Mörtelbett den<br />
Kontakt zum Prüfkörper herstellte. Zur Vermeidung von Zwängungen war das „vordere“<br />
dieser Lager zusätzlich mit einer Teflongleitschicht versehen. Der Abstand der<br />
Auflagerpunkte der Stahlschaukel war fest und betrug 300 mm.<br />
Die Seilumlenkungen dienten der Krafteinleitung an den Trägerenden. Damit dort<br />
keine Torsion eingeleitet wurde, ruhte dieser Apparat auf einem schmalen Stahlstreifen<br />
(Last-einleitplatte, Bild 30), der in Trägerlängsrichtung lag und dadurch einen Schaukeleffekt<br />
in Trägerquerrichtung bewirkte.<br />
Zur Stabilisierung des ganzen Systems wurde der „hintere“ der beiden grossen Betonwürfel<br />
mit etwas Zusatzgewicht belegt, so dass er auf Kanthölzern am Boden stand<br />
und nur der vordere Würfel frei am Seil hing.<br />
67
Bauteilversuche<br />
Bild 29: Versuche LV – Lagerungs- und Belastungskonzept am halben Versuchsstand<br />
Messungen<br />
Für die Erfassung der Verformungsvorgänge wurde ein umfangreiches Messprogramm<br />
konzipiert. Dieses ermöglichte einerseits die Überwachung der globalen Prüfkörperdeformation,<br />
anderseits aber auch die Registrierung von lokalen Verformungen (z.B. der<br />
Schlupf der Lamelle am Trägerende).<br />
Wegen der langen Laufzeit und den hohen klimatischen Anforderungen wurde darauf<br />
verzichtet, fest verdrahtete Messinstrumente anzubringen. Manuelle Messungen versprachen<br />
eine höhere Zuverlässigkeit bei vertretbarem Aufwand, da die Versuchsart<br />
ohnehin eine regelmässige visuelle Kontrolle erforderte.<br />
Für die Messung der Biegeverformung wurden an den herausragenden Stäben der<br />
Längsbewehrung Messmarken angebracht (Bild 30), von welchen aus die Distanz zu<br />
Messmarken am Boden gemessen werden konnte („hinten“: Distanz zu Messmarken auf<br />
den stehenden Betonwürfeln). „Vorne“ war zudem eine Verlängerung dieser Stäbe in<br />
Trägerlängsrichtung nötig, weil im Trägerbereich selbst die grossen Betonwürfel hingen<br />
und so keine vertikale Linie zum Boden „frei“ war.<br />
Für die Messung selbst wurden Durchbiegungsmesser eingesetzt: Mit einer mechanischen<br />
1 /100 mm-Messuhr am einen und einer Kugelspitze am anderen Ende eines Invargestänges<br />
konnte in die Messmarken hineingegriffen und deren Abstand bestimmt<br />
werden.<br />
68
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
Die Dehnungen in der Lamelle, auf der Betonoberfläche um die Lamelle und im<br />
Querschnitt in Trägermitte wurden mit dem Deformeterverfahren gemessen (Messstrecken<br />
D4...D30). Das Vorgehen wurde bereits in Kapitel 3.2.2 erläutert.<br />
Der Schlupf am Lamellenende (Verschiebung des Lamellenendes gegenüber dem<br />
umliegenden Beton) wurde mit einem eigens dafür zusammengesetzten Schlupfmesser<br />
erfasst. Das Gerät bestand aus einem Querbalken mit einer elektronischen 1 /1000 mm-<br />
Messuhr. Damit konnte die relative Verschiebung dreier in einer Linie liegenden Aluminiumwinkel<br />
gemessen werden, von welchen die äusseren auf die Betonoberfläche und<br />
der mittlere auf die Lamelle geklebt waren (Bild 30).<br />
Vor und nach jeder Messserie (Durchbiegungs-, Dehnungs- und Schlupfmessung)<br />
wurde das Messgerät an einer gleichbleibenden Referenzstrecke (Komperator: z.B. Invarstab<br />
bei Deformeter) geeicht. Damit konnten im Verlauf der Messung auftretende,<br />
systematische Messgerätveränderungen erfasst und später korrigiert werden.<br />
M<br />
W 1<br />
W 2<br />
Lasteinleitplatte<br />
W 1 (W )<br />
2<br />
340<br />
vorne<br />
V<br />
[mm]<br />
Q Q<br />
s lV<br />
innen<br />
aussen<br />
D13<br />
D22<br />
D14<br />
D23<br />
D15<br />
D24<br />
D31 (D33)<br />
D32 (D34)<br />
D16<br />
D25<br />
Bild 30: Versuche LV – Messungen am Träger<br />
D4<br />
D5<br />
Legende<br />
Deformetermessstrecke (200 mm)<br />
Deformetermessmarke Ansicht<br />
Deformeter (manuelle Messung)<br />
1)<br />
Schlupfmesser<br />
(manuelle Messung)<br />
Durchbiegungsmesser<br />
(manuelle Messung)<br />
D6<br />
D7<br />
D8<br />
D17<br />
D26<br />
D9<br />
D18<br />
D27<br />
27.5<br />
52.5<br />
52.5<br />
27.5<br />
35<br />
90<br />
35<br />
Lagerplatte<br />
D10<br />
D19<br />
D28<br />
D11<br />
D20<br />
D29<br />
innen vorne aussen aussen<br />
D12<br />
D21<br />
D30<br />
27.5<br />
hinten<br />
H<br />
s lH<br />
52.5<br />
52.5<br />
27.5<br />
W 1 W 2 W 3<br />
innen<br />
hinten<br />
1)<br />
Schematischer Aufbau des Schlupfmessers<br />
Draufsicht<br />
3<br />
2<br />
4<br />
1 5<br />
Ansicht<br />
3<br />
3<br />
2<br />
4<br />
1<br />
5<br />
1 0.001 mm-Messuhr<br />
2 Messnadel<br />
3 Referenznadeln<br />
4 Querbalken<br />
5 Distanzring<br />
W 3<br />
W 4<br />
N<br />
90<br />
W 3 (W )<br />
4<br />
40<br />
35<br />
35<br />
69
Bauteilversuche<br />
Für die Klimaüberwachung wurde ein kombinierter Temperatur- und Feuchtigkeitsfühler<br />
eingesetzt, der zwischen den Versuchskörpern gelagert war. Die Ablesung dieser<br />
Messwerte erfolgte ausserhalb der Klimakammer.<br />
Neben den Versuchsträgern wurden auch vier kurze lose Lamellenstücke im Klimaraum<br />
gelagert: Handstücke THELA1...3 waren Proben der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle,<br />
Handstück CaDu war eine Probe der Lamelle Sika CarboDur S512. Da diese dem gleichen<br />
Klima ausgesetzt waren wie die an den Trägern angebrachten Lamellen, konnten<br />
sie für die Abschätzung der Wasseraufnahme verwendet werden. Zu diesem Zweck<br />
wurden die Handstücke regelmässig mit einer Laborwaage mit Auflösungsvermögen<br />
0.001 g gewogen. Der zu Versuchsbeginn herrschende Wassergehalt wurde mittels<br />
coulometrischer Wassergehaltsbestimmung nach Karl Fischer gemessen. Er betrug bei<br />
der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle 0.09% und bei der Lamelle Sika CarboDur S512 0.04%<br />
(Prozentangaben bezogen auf die Lamellenmasse).<br />
Versuchsvorbereitung und -ablauf<br />
Versuchsvorbereitung<br />
Jeder Versuchskörper war mit einer Lamelle verstärkt. Das Vorgehen beim Applizieren<br />
war gleich wie bei den Trägern der Serie PS und ist in Kapitel 3.2.2 erläutert.<br />
Nach dem Kleben der Lamelle konnten die Messmarken angebracht werden. Wie in<br />
Bild 30 gezeigt, wurden die Marken für die Durchbiegungsmessung an den aus dem<br />
Träger herausragenden Bewehrungstäben bzw. an der daran angeschweissten Stahlplatte<br />
(Messplatte, Bild 29) befestigt. Die Aluminumbolzen und -winkel für die lokale Verformungsmessung<br />
wurden mit Schnellklebstoff auf die Betonoberfläche und die Lamelle<br />
geklebt.<br />
Nachdem der Prüfkörper mit den Messvorrichtungen versehen war, wurde er in den<br />
Versuchsstand eingebaut.<br />
Versuchsablauf<br />
Vor dem Aufbringen der Belastung wurden mit allen Messgeräten zwei Nullmessungen<br />
durchgeführt.<br />
Für das kontrollierte Aufbringen der Belastung wurde der vordere Würfel mit einem<br />
Hebegerät angehoben, an das über den Träger laufende Stahlseil gehängt und dann<br />
langsam abgelassen. Mit etwas Bleiballast wurde dann das Würfelgewicht leicht korrigiert.<br />
Durch verstellen der Spannschlösser konnte der Träger am Schluss in die horizontale<br />
Lage gebracht werden.<br />
Die ersten Untersuchungen zum Langzeitverhalten wurden anhand der Versuche<br />
LV1* und LV2* durchgeführt. Einige Tage nach der Inbetriebnahme wurden auch der<br />
Heizlüfter und der Befeuchter eingestellt, so dass ungefähr am zehnten Versuchstag das<br />
angestrebte Klima von ca. 50°C und 80% relative Luftfeuchtigkeit erreicht war. Während<br />
einiger Tage blieben diese Werte etwa konstant. Am folgenden Wochenende kam<br />
es dann zu einer Klimastörung: infolge eines Defekts am Heizlüfterthermostat kam es<br />
70
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
zu einem ungedrosselten Temperaturanstieg in der Klimakammer. Als der Vorfall entdeckt<br />
wurde, betrug die Raumtemperatur 65°C und die relative Luftfeuchtigkeit 70%.<br />
Der Träger LV2* hatte versagt, daher wurde der Gesamtversuch wieder abgebrochen.<br />
Nach den Erfahrungen mit LV1* und LV2* wurde beschlossen, die Nachfolgeversuche<br />
LV1 und LV2 bei moderatem Klima anzusetzen und dieses stufenweise zu verändern.<br />
Jede Klimastufe wurde während mehreren Wochen beibehalten, damit die<br />
Entwicklung der Versuchskörperverformung erfasst werden konnte. Durch Veränderung<br />
(in der Regel Erhöhung) der Temperatur oder der Feuchtigkeit wurde dann ein neues<br />
Klima eingestellt.<br />
Insbesondere bei hoher Temperatur und Feuchtigkeit kam es oft zu Defekten am<br />
Heizlüfter oder am Befeuchter, die zu Klimastörungen führten. Die Probleme wurden<br />
aber meist früh erkannt und behoben, so dass der Versuch erfolgreich durchgeführt<br />
werden konnte.<br />
3.3.3 Versuchsresultate<br />
Auswertung und Darstellung der Messdaten<br />
Die Biegeverformung wurde mit Messmarken erfasst, die ausserhalb des eigentlichen<br />
Trägers lagen (Bild 30). Die Durchbiegung der Trägermitte gegenüber den Orten der<br />
Lasteinleitung wurde mit Hilfe eines einfachen Modells abgeschätzt. Hierbei wurde angenommen,<br />
dass der beanspruchte Träger die Form einer kubischen Parabel annimmt;<br />
die Messmarken liegen auf tangentialen Verlängerungen der Trägerenden. Mit diesem<br />
Modell konnten die eigentliche Trägerverformung und die Verkippung auf der Stahlschaukel<br />
(Starrkörperrotation) separiert werden. In Bild 31 ist das Modell und die daraus<br />
folgenden Formeln dargestellt.<br />
Die mit dem Deformeter erfassten Dehnungen wurden entsprechend den Ausführungen<br />
in Kapitel 3.2.3 ausgewertet.<br />
Die Resultate der Schlupfmessung wurden ähnlich behandelt wie die der Deformetermessung:<br />
die systematischen Fehler infolge z.B. temperaturbedingter Messgerätveränderung<br />
wurden korrigiert und dann die Werte der Nullmessung subtrahiert. Damit war<br />
der Absolutbetrag des Schlupfwegs bestimmt.<br />
Tabelle 24 enthält eine Zusammenstellung über den Weg von der Verformungsmessung<br />
zum Messresultat.<br />
Die bei den Versuchen LV1 und LV2 mittels Wägung der Handstücke ermittelte<br />
Massenänderung wurde als Wasseraufnahme bzw. -abgabe interpretiert. Der zum jeweiligen<br />
Messzeitpunkt herrschende totale Wassergehalt wurde unter Berücksichtigung<br />
des zu Versuchsbeginn ermittelten Wertes bestimmt. Aus den Resultaten der Handstücke<br />
THELA1...3 wurde der Mittelwert gebildet.<br />
71
Bauteilversuche<br />
M<br />
M<br />
Messinstrument/<br />
physische Messgrösse<br />
Durchbiegungsmesser<br />
Schlupfmesser<br />
Deformetermessstrecken<br />
W1, W2<br />
W3, W4<br />
Sl<br />
D4...D12<br />
D22...D34<br />
D13...D21<br />
direkter Messwert abgeleiteter Messwert<br />
Messwert Auswertung Messwert Auswertung<br />
w1, w2<br />
w3, w4<br />
slV<br />
slH<br />
εc (D4)...εc (D12)<br />
εc (D22)...εc (D34)<br />
εl (D13)...εl (D21)<br />
Korrektur systematischer<br />
Messfehler, Differenzbildung<br />
zur Nullmessung<br />
Korrektur systematischer<br />
Messfehler,Differenzbildung<br />
zur Nullmessung<br />
Korrektur systematischer<br />
Messfehler,Differenzbildung<br />
zur Nullmessung, Bezug zur<br />
Basislänge<br />
Tabelle 24: Versuche LV – Vom Messinstrument zum Messwert<br />
72<br />
V<br />
Q<br />
g: V η = m ξ+c<br />
V<br />
p: η = aξ<br />
3<br />
Ort der Krafteinleitung: V(x V ,y V bzw. ξ V ,η V) und H(x H ,y H bzw. ξ H ,η H)<br />
Ort der Wegmessung: M(x M ,y M bzw. ξ M ,η M) und N(x N ,y N bzw. ξ N ,η N)<br />
Koordinatentransformation für kleineφ :<br />
ξ=x�y⋅φ x =ξ�η⋅φ<br />
η=�x⋅φ � y y =ξ⋅φ�η<br />
Aus Geometrie folgt: φ= 3⋅( y N⋅ξ N)�l⋅( y N�y M)<br />
6⋅ξ M⋅ξ N�ξ M⋅l�ξ N⋅l<br />
w m = y M�ξ M⋅φ<br />
1�φ 2 ⋅ ξ V<br />
3⋅ξ M�2 ξ V<br />
Bild 31: Versuche LV – Modell zur Bestimmung der Mittendurchbiegung<br />
η<br />
w m<br />
y<br />
φ<br />
w m<br />
l<br />
wm<br />
εc, sup<br />
εs, sup<br />
εs, inf<br />
εl,m<br />
χm<br />
H<br />
aus w1...w2 durch Trägermodellierung<br />
als kubische Parabel<br />
(Bild 31)<br />
Mittelwert {εc (D8), εc (D26)}<br />
Mittelwert {εc (D31)...εc (D33)}<br />
Mittelwert {εc (D32)...εc (D34)}<br />
εl,m = εl (D17)<br />
Steig. der mittels lin. Regr. aus<br />
{εc (D8), εl (D17), εc (D26),<br />
εc (D31)...εc (D33)}<br />
bestimmten Dehnungsebene.<br />
H<br />
Q<br />
N<br />
N<br />
g H<br />
ξ<br />
x
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
Versuche LV1* und LV2*<br />
LV1* und LV2* waren die ersten, infolge einer Störung am Thermostat früh abgebrochenen<br />
Langzeitversuche. LV1* war verstärkt mit einer <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle der<br />
Generation 2, LV2* mit einer Lamelle Sika CarboDur S512.<br />
Der Klimaverlauf und der Gang der Verformungen ist in Bild 32 dargestellt.<br />
Nach Aufbringen der Beanspruchung hatten sich die initialen Verformungen eingestellt.<br />
Die Risse bildeten sich entsprechend der Bügelanordnung in Abständen von<br />
100 mm und ergaben dadurch ein sehr regelmässiges Gesamtbild. Während den ersten<br />
drei Tagen liefen die Versuche ohne besondere Klimaregelung, die Temperatur- und<br />
Feuchtigkeitsverhältnisse entsprachen dem umgebenden „Kellerklima“. Die Zunahme<br />
der initialen Verformungen schien schon nach dem ersten Tag abgeklungen.<br />
Am dritten Tag wurde der Heizlüfter in Betrieb genommen. Die Temperatur stieg<br />
schnell auf 40°C, dann langsam weiter, bis nach insgesamt sieben Tagen etwa 47°C erreicht<br />
waren.<br />
Der Temperaturanstieg führte zu einer ähnlichen Zunahme der Verformungen: auf<br />
eine sprungartige Erhöhung folgte eine mässige aber anhaltende Verformungsänderung.<br />
Nach einem Abstellen (Tag 4) und Wiederanstellen (Tag 7) des Heizgerätes folgte<br />
ein Sprung im Durchbiegungs- und Dehnungsverlauf.<br />
Am siebten Versuchstag wurde der Befeuchter angestellt. Die relative Feuchtigkeit<br />
von ca. 70% war bald erreicht, die Temperatur schwankte weiterhin um die 48°C.<br />
Im Verformungsverlauf war kaum eine Reaktion auf die Feuchtigkeit zu erkennen:<br />
die langsame Zunahme wurde fortgesetzt, ohne erkennbaren Knick oder Sprung.<br />
Am 21.2. wurde im Klimaraum eine Temperatur von 65°C und eine relative Luftfeuchtigkeit<br />
von 70% gemessen. Wegen der feuchten Umgebung hatte im Verlauf des<br />
vorangegangenen Wochenendes der Thermostat des Heizlüfters versagt, so dass das<br />
Gerät ungebremst zu heizen begann.<br />
Die Lamelle Sika CarboDur S512 des Versuchsträgers LV2* war abgeschält. Der<br />
Klebstoff Sikadur-30 hatte offenbar seine Schubfestigkeit weitgehend verloren, denn die<br />
Versagensebene lag in der Klebstoffschicht. Sowohl an der Lamelle als auch am Beton<br />
war eine schuppenartig gemusterte Klebstoffschicht zurückgeblieben.<br />
Versuch LV1* hatte die hohe Temperatur überstanden. Der Grund dafür lag vermutlich<br />
in der geringeren Schubbeanspruchung in der Klebstoffschicht infolge tieferer Steifigkeit<br />
der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle. Der Schlupf am Lamellenende war sprunghaft<br />
angestiegen, während sich die Biegeverformung erstaunlich wenig verändert hatte.<br />
Der Versuch LV1* wurde noch während einigen Tagen weiterbetrieben und dann<br />
zugunsten einer neuen Versuchsserie abgebrochen.<br />
73
Bauteilversuche<br />
Bild 32: Versuche LV* - Klimaverlauf und Gang der Verformungen<br />
74<br />
15<br />
14<br />
13<br />
12<br />
11<br />
10<br />
4.5<br />
4.0<br />
3.5<br />
3.0<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
65<br />
55<br />
45<br />
35<br />
25<br />
15<br />
w m [mm]<br />
ε lm [‰]<br />
s l [mm]<br />
T [°C]<br />
LV1* V<br />
LV1* H<br />
LV2* V<br />
LV2* H<br />
Temperatur (T)<br />
LV2*<br />
LV2*<br />
7.2. 21.2.<br />
Feuchtigkeit (H)<br />
LV1*<br />
LV1*<br />
25.2.<br />
H [%]<br />
0 7 14<br />
21<br />
t [Tage]<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
Versuche LV1 und LV2<br />
Aus den Versuchen LV1 und LV2 konnten aufschlussreiche Erkenntnisse über das<br />
Langzeitverhalten von CFK-verstärkten Betonträgern bei erhöhten klimatischen Anforderungen<br />
gewonnen werden. LV1 war mit einer <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle der Generation<br />
2 verstärkt, LV2 mit einer Lamelle Sika CarboDur S512.<br />
In Tabelle 25 ist ein Überblick über den Versuchsverlauf gegeben. Die Diagramme in<br />
den Bildern 33 und 34 enthalten eine Zusammenstellung über die Verformungs- und<br />
Klimamessungen. In Tabelle 26 sind die Zahlenwerte einiger charakteristischer Verformungsgrössen<br />
zu ausgewählten Zeitpunkten gegeben.<br />
Die initiale Verformung (z.B. wm, Bild 33) war – entsprechend der unterschiedlichen<br />
Steifigkeit der CFK-Lamellen – bei LV1 leicht grösser als bei LV2. Wie bei den Versuchen<br />
LV1* und LV2* lagen die Risse bei den Bügeln und hatten daher Abstände von<br />
100 mm.<br />
Die für die Klimastufe 1 massgebende Solltemperatur von 40°C wurde nach wenigen<br />
Tagen erreicht. Bezüglich der Feuchtigkeit gab es keine bestimmte Anforderungen und<br />
daher auch keine Regelung.<br />
Die Mittendurchbiegung nahm sowohl bei LV1 als auch bei LV2 anfänglich deutlich<br />
zu, während sich die Lamellendehnung kaum veränderte. Die Verformungszunahme<br />
hatte dementsprechend ihren Ursprung vermutlich im Kriechen der Betondruckzone<br />
oder im Kriechen des Verbunds zwischen Beton und Bewehrung.<br />
Nach 48 Tagen (am 17.04.2000) wurde Klimastufe 2 gestartet. Die Temperatur war<br />
die gleiche wie bei Stufe 1 (40°C), durch Inbetriebnahme eines Befeuchters wurde aber<br />
die relative Luftfeuchtigkeit auf 80% erhöht.<br />
Der Verformungsverlauf liess kaum erkennen, dass ein Klimawechsel stattgefunden<br />
hatte: die Deformationen in Klimastufe 2 bildeten eine nahtlose Fortsetzung von den in<br />
Stufe 1 gemessenen Werten.<br />
Am 05.07.2000 erfolgte der Wechsel von Klimastufe 2 auf Klimastufe 3. Bei der nun<br />
herrschenden Temperatur von 45°C musste aufgrund der vorangegangenen Materialuntersuchungen<br />
eine Steifigkeitsabnahme des Klebstoffs Sikadur-30 und der <strong>thermoplastische</strong>n<br />
Matrix angenommen werden (Kapitel 2.2.4).<br />
Die Mittendurchbiegung wm und die Dehnung in Lamellenmitte εlm zeigten zu Beginn<br />
der Klimastufe 3 eine - gegenüber vorher – leichte Zunahme, die aber bald wieder abklang.<br />
Ein steiler Deformationsanstieg war beim Schlupf sl am Lamellenende zu erkennen.<br />
Während etwa sechs Wochen änderte sich der Betrag aller vier Messwerte um insgesamt<br />
ca. Faktor 2.5, danach folgte auch hier eine Stabilisierung. Der Grund für diesen Verformungssprung<br />
war vermutlich der Abfall des Schubmoduls des Klebstoffs Sikadur-30.<br />
75
Bauteilversuche<br />
Bez.<br />
Klimastufe<br />
Nenntemp.<br />
T<br />
Nennfeucht.<br />
rel. F.<br />
(Beginn/<br />
Ende)<br />
Dauer<br />
∆t<br />
[°C] [%] [Tage]<br />
2/29/2000 - Versuchsbeginn<br />
Ereignisse, Bemerkungen<br />
Stufe 1 40 30 48 - Baldiges Abklingen der Verformungszunahme.<br />
(17.04.'00)<br />
Stufe 2 40 80 79 - Kein Einfluss der Feuchtigkeit auf Verformungen erkennbar.<br />
(05.07.'00)<br />
Stufe 3a 45 80 78<br />
(21.09.'00)<br />
Stufe 3b 45 30...80 46<br />
(06.11.'00)<br />
Stufe 4 50 80 84<br />
(29.01.'01)<br />
Stufe 5 55 80 350<br />
- Einsetzender Steifigkeitsabfall bei Klebstoff und <strong>thermoplastische</strong>r<br />
Matrix.<br />
- Anfängliche Verformungszunahme klang bald wieder ab.<br />
- Befeuchterdefekt infolge Temperaturerhöhung von 45 auf 50°C;<br />
Temperaturrückstellung auf 45°C; Feuchtigkeitsabfall bis zur Befeuchterwiederinbetriebnahme<br />
am 9.10.'00.<br />
- Kurzfristige Klimastörung (Temperaturanstieg, -wiederabnahme und<br />
Feuchtigkeitsabfall) hat Verformungssprung bewirkt, der aber wieder<br />
abflaute.<br />
- Stetige, wieder abnehmende Verformungszunahme nach Beginn der<br />
Stufe 4.<br />
- Endgültiges Versagen des Luftbefeuchters. Fortan wurde mit passiver<br />
Luftbefeuchtung (Verdunstung aus wassergefüllten Entwicklerschalen)<br />
die gewünschte relative Feuchtigkeit von 80% erreicht.<br />
- Wie bei vorangehenden Temperaturerhöhungen zeigte sich vor allem<br />
beim Schlupf am Lamellenende eine sprunghafte Zunahme folgend<br />
auf die Temperaturerhöhung.<br />
- Drei Schlupfmessungen zeigen bald eine Verformungsstabilisierung,<br />
die vierte beginnt nach kurzer Ruhephase steil anzusteigen und<br />
kündigt so das Versagen von LV2 ca. 8 Wochen im voraus an.<br />
- Versagen von LV2 im Zeitraum 08. ... 15.05.'01.<br />
- Seit Versagen von LV2 wurde Versuch mit LV1 alleine forgesetzt.<br />
(14.01.'02) - Letzte im vorliegenden Bericht dargestellte Messung. Bis dahin gab<br />
es keine Anzeichen, die auf ein bevorstehendes Versagen von LV1<br />
hinwiesen.<br />
- Versuch wurde auch nach dem 14.01.'02 fortgesetzt.<br />
...<br />
Tabelle 25: Versuche LV - Überblick über den Versuchsablauf<br />
76
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
Am 21.09.2000 sollte die Temperatur wieder um 5°C erhöht werden, um damit das<br />
Klima von Stufe 4 zu erreichen. Der Temperaturanstieg führte aber zum Versagen des<br />
Befeuchters, so dass dieser aus dem Klimaraum entfernt und die Temperatur auf 45°C<br />
zurückgestellt wurde. Diese Klimastufe wurde schliesslich als Stufe 3b bezeichnet. Der<br />
Unterschied zur Stufe 3 (bzw. 3a) lag in der Feuchtigkeit, die bis zur Wiederinbetriebnahme<br />
des Befeuchters (09.10.2000) stetig sank.<br />
Die kurzfristige Temperaturerhöhung zu Beginn von Stufe 3b führte zu deutlich erkennbaren<br />
Verformungsänderungen. Während die Dehnung in Lamellenmitte εlm und<br />
der Schlupf am Lamellenende sl zunahmen, ging die Mittendurchbiegung wm zurück.<br />
Letztgenannte Beobachtung kam wahrscheinlich nicht von einem wirklichen Verformungsrückgang,<br />
sondern von einem hier erkannten systematischen Messfehler: Die<br />
ganze Versuchsanlage war auf Schalungsbrettern und Kanthölzern gelagert. Wegen der<br />
hohen Feuchtigkeit hatte sich im Raum Kondenswasser gebildet, das sich am Boden zu<br />
zusammenhängenden Wasserpfützen zusammenschloss und so zum Quellen der darin<br />
abgestellten Holzteile führte. Da die Messung der Mittendurchbiegung zwischen Boden<br />
und Bauteil erfolgte, waren die Werte immer mit einem entsprechenden Fehler behaftet.<br />
Wegen des Aussetzens des Befeuchters am 21.09.2000 trockneten in der darauf folgenden<br />
Zeit die Pfützen aus und die Quellverformung der Holzteile gingen zurück. Nach<br />
dem Erkennen dieses Messfehlers wurden die Werte der Mittendurchbiegung nicht mehr<br />
für die Interpretation des Verformungsverhaltens beigezogen.<br />
Nach der Wiederinbetriebnahme des Befeuchters kam es wieder zu einer Stabilisierung<br />
der Verformungen.<br />
Nachdem der Befeuchter wieder funktionierte, wurde am 06.11.2000 die Temperatur<br />
um 5°C erhöht und so auf den Sollwert von Stufe 4 gebracht. Nun herrschten 50°C und<br />
eine Luftfeuchtigkeit von ca. 80%.<br />
Gegenüber Stufe 3b war nur eine geringe Änderung der Verformungen erkennbar. Da<br />
die Temperatur von 50°C schon zu Beginn der Stufe 3b kurzfristig herrschte, hatten sich<br />
vermutlich schon damals die zugehörigen Verformungen eingestellt.<br />
Am 29.01.2001 wurde Klimastufe 4 von Stufe 5 abgelöst. Fortan lag die Temperatur<br />
bei 55°C. Der Befeuchter, der nicht für den Betrieb bei dieser Wärme gedacht war,<br />
musste aus dem Klimaraum entfernt werden. Als Ersatz wurden vier Entwicklerschalen<br />
mit einer Grundfläche von je 525·665 mm 2 mit insgesamt 100 l Wasser gefüllt und im<br />
Raum verteilt. Wegen der hohen Temperatur konnte auch auf diese Weise (passive<br />
Verdunstung) die relative Luftfeuchtigkeit bei 80% gehalten werden.<br />
Die Dehnung εlm machte gleich nach der Temperaturerhöhung einen kleinen Sprung,<br />
danach folgte aber sogleich eine Stabilisierung und im weiteren ein Verbleiben auf<br />
konstantem Niveau.<br />
Der Schlupf sl stieg am Anfang von Klimastufe 5 stark an, nach etwa vier Wochen<br />
schien aber auch diese Verformungszunahme weitgehend beendet. Während der Schlupf<br />
der Lamelle von LV1 auch in den nächsten Wochen etwa konstant blieb, begann der am<br />
„hinteren“ Ende von LV2 gemessene Wert slH wieder zu steigen. Der Anstieg wurde in<br />
der folgenden Zeit immer steiler und wies so auf ein baldiges, von dieser Stelle ausgehendes<br />
Versagen hin. Bis am 30.04.2001 war keine sichtbare Schädigung zu erkennen,<br />
am 08.05.2001 war dann ein ca. 180 mm langer Riss im Klebstoff entlang der Lamelle<br />
zu beobachten. Wahrscheinlich war die Lamelle in diesem Bereich bereits weitgehend<br />
77
Bauteilversuche<br />
vom Untergrund losgelöst. Folgender Messwertvergleich (am Träger LV2) stützt diese<br />
Vermutung:<br />
30.04.'01 08.05.'01 Beobachtung<br />
slH : 0.237 mm 0.459 mm Ca. Verdoppelung des Schlupfbetrags innerhalb<br />
von acht Tagen.<br />
εl(D21): 1.20 ‰ 0.66 ‰ Durch den grossen Schlupf slH wird die Lamelle<br />
in diesem Bereich entlastet, die nächstgelegene<br />
Deformetermessstrecke (D21) zeigt eine deutliche<br />
Dehnungsabnahme (vgl. auch Bild 34).<br />
Am 15.05.2001 wurde Träger LV2 schliesslich mit abgeschälter Lamelle vorgefunden.<br />
Auf einer Länge von mehr als 1 m war sie völlig vom Träger losgelöst. Die innere<br />
Längsbewehrung konnte die Biegezugkraft nicht alleine aufnehmen, dadurch kam es<br />
zum Versagen von LV2: der Träger war stark über die Schaukel in dessen Mitte gekrümmt,<br />
so dass der zuvor am Ende hängende Betonwürfel nun am Boden stand.<br />
Die Trennfläche lag vollständig im Klebstoff. Die Beobachtungen entsprachen denjenigen,<br />
die bei Versuchen LV2* gemacht wurden und bestätigten die dort geäusserten<br />
Vermutungen (Kapitel 3.3.3): Wegen der Erweichung des Klebstoffes kam es zum<br />
Schubversagen, beide Trennflächen wiesen eine schuppenartige Oberflächenmusterung<br />
auf (Bild 35). Der Grund für das alleinige Versagen von LV2 lag vermutlich in der höheren<br />
Steifigkeit der Verstärkungslamelle, welche höhere Schubspannungen verursachte<br />
als die weichere <strong>thermoplastische</strong> Lamelle.<br />
Bemerkenswert bleibt, dass die Schlupfmessung slH das Versagen während ca. 8<br />
Wochen vor dessen Eintreten ankündigte, alle anderen Messgrössen (mit Ausnahme von<br />
εl(D21) unmittelbar vor dem Eintreten des Versagens) aber keine Anzeichen hinsichtlich<br />
dieses Ereignisses erkennen liessen. Diese Beobachtung ist damit zu begründen, dass<br />
sich der Schlupf in der ungerissenen Trägerendzone abspielte und damit keinen Einfluss<br />
hatte auf die Dehnungen und die Krümmung im Trägermittelbereich.<br />
Nach dem 15.05.2001 wurde der Versuch mit Träger LV1 alleine fortgesetzt. Während<br />
etwa 8 Monaten blieben die Verformungen nahezu konstant. Am 14.01.2002, nach<br />
insgesamt 350 Tagen bei 55°C und 80% rel. Feuchtigkeit, wurde schliesslich die letzte<br />
für den vorliegenden Bericht verwendete Messung durchgeführt. Bis zu diesem Zeitpunkt<br />
wurden keine Anzeichen erkannt, die ein bevorstehendes Trägerversagen vermuten<br />
liessen.<br />
Nach dem 14.01.2002 wurde der Versuch bei unveränderten klimatischen Verhältnissen<br />
(55°C, 80% rel. F.) bis auf weiteres fortgesetzt.<br />
78
Datum Laufzeit<br />
t<br />
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
LV1 LV2<br />
wm εlm slV slH χm wm εlm slV slH χm<br />
[Tage] [mm] [‰] [mm] [mm] [m -1 ] [mm] [‰] [mm] [mm] [m -1 ]<br />
29.02.'00 0 12.30 3.42<br />
-0<br />
.002<br />
0.001 0.0313 11.10 2.97 0.000 -0.002 0.0253<br />
Klimastufe,<br />
Bemerkung<br />
Anfang Stufe 1,<br />
initiale Verformg.<br />
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<br />
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<br />
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<br />
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<br />
30.04.'01 426 14.90 3.99 0.119 0.130 0.0374 13.27 3.50 0.146 0.237 0.0305<br />
08.05.'01 434 14.91 3.99 0.118 0.131 0.0375 13.28 3.52 0.149 0.459 0.0306<br />
14.01.'02 685 15.07 4.00 0.136 0.144 0.0381 - - - - -<br />
Tabelle 26: Versuche LV – Verformungswerte zu ausgewählten Zeitpunkten<br />
Stufe 5, vor erkennbaremTrennriss<br />
Stufe 5, vor Versagen<br />
von LV2<br />
Stufe 5, letzte Messung<br />
Der mittels Handstückwägung ermittelte Wassergehalt ist in Tabelle 27 dargestellt.<br />
Ein Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Verformungsverhalten konnte nicht<br />
erkannt werden.<br />
Datum<br />
Thermoplastische<br />
Lamelle<br />
[% der Lamellenmasse]<br />
Wassergehalt<br />
Sika CarboDur<br />
S512<br />
[% der Lamellenmasse]<br />
Klimastufe, Bemerkung<br />
29.02.'00 0.09 0.04 Anfang Stufe 1<br />
17.04.'00 0.07 0.01 Ende Stufe 1<br />
05.07.'00 0.27 0.11 Ende Stufe 2<br />
21.09.'00 0.29 0.12 Ende Stufe 3a<br />
09.10.'00 0.04 0.01 Stufe 3b, vor Wiederinbetriebnahme des Befeuchters<br />
29.01.'01 0.26 0.11 Ende Stufe 4<br />
30.04.'01 0.21 0.08 Stufe 5, vor erkennbarem Trennriss<br />
08.05.'01 0.21 0.08 Stufe 5, vor Versagen von LV2<br />
14.01.'02 0.23 - Stufe 5, letzte Messung<br />
Tabelle 27: Versuche LV – Wassergehalt zu ausgewählten Zeitpunkten<br />
79
Bauteilversuche<br />
Bild 33: Versuche LV – Klimaverlauf und Gang der Verformungen<br />
80<br />
15<br />
14<br />
13<br />
12<br />
11<br />
10<br />
4.5<br />
4.0<br />
3.5<br />
3.0<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
65<br />
55<br />
45<br />
35<br />
25<br />
15<br />
w m [mm]<br />
ε lm [‰]<br />
s l [mm]<br />
T [°C]<br />
29.2.00 17.4.<br />
Feuchtigkeit (H)<br />
Temperatur (T)<br />
5.7.<br />
0 8 16 24 32 40 64 72<br />
80 88<br />
t [Wochen]<br />
LV2<br />
LV2<br />
Schlupf bei fortgeschrittenem<br />
Lamellenabschälen: sl = 0.46 mm<br />
21.9. 9.10. 6.11. 29.1.01<br />
8.5.<br />
LV1<br />
LV1<br />
LV1 V<br />
LV1 H<br />
LV2 V<br />
LV2 H<br />
14.1.02<br />
H [%]<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20
LV1<br />
LV2<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
ε [‰]<br />
ε [‰]<br />
Lamelle 1)<br />
Betonoberfläche Zugseite 2)<br />
-800 800<br />
x [mm]<br />
Lamelle 1)<br />
Betonoberfläche Zugseite 2)<br />
Entlastung durch fortschreitendes<br />
Lamellenabschälen<br />
-800 800<br />
x [mm]<br />
1) Dehnungen εl(D13)...εl(D21)<br />
2) Mittelwert der Dehnungen [εc(D4), εc(D22)]...[εc(D12), εc(D30)]<br />
Bild 34: Versuche LV – Dehnungszustand zu ausgewählten Zeitpunkten<br />
Versuche am Träger LV: Langzeitversuche im Klimaraum<br />
-80<br />
80<br />
z [mm]<br />
Bild 35: Versuch LV2 - Infolge Klebstofferweichung abgescherte Lamelle<br />
-80<br />
80<br />
ε s,inf<br />
ε s,sup<br />
ε l (D17)<br />
ε c,sup<br />
29.2.00<br />
5.7.00<br />
21.9.00<br />
29.1.01<br />
8.5.01<br />
14.1.02<br />
-0.5 4.0<br />
ε [‰]<br />
z [mm]<br />
ε s,inf<br />
ε l (D17)<br />
ε c,sup<br />
ε s,sup<br />
29. 2.00<br />
5. 7.00<br />
21.9.00<br />
29.1.01<br />
8.5.01<br />
-0.5 4.0<br />
ε [‰]<br />
81
Bauteilversuche<br />
Folgerungen aus den Versuchen am Träger LV<br />
Die Langzeitversuche in der Klimakammer haben gezeigt, dass die <strong>thermoplastische</strong><br />
Lamelle auch bei hoher Beanspruchung und anspruchsvollen klimatischen Bedingungen<br />
genutzt werden kann. Die gleichen Erkenntnisse gelten aber auch für die Lamelle Sika<br />
CarboDur S512, mit der bisher keine solchen Versuche gemacht worden sind.<br />
Die Versuche haben gezeigt, dass die Systeme auch beständig sein können bei Temperaturen,<br />
die höher liegen als der Beginn des Steifigkeitsabfalls des Klebstoffs Sikadur-30<br />
(s. Bild 9). Trotzdem ist in der Praxis von einer Nutzung in diesem<br />
Temperaturbereich abzuraten, da Abweichungen in der Geometrie und in der Last zu<br />
anderen Verhältnissen führen und die mit den Versuchen am Träger LV gemachten Erfahrungen<br />
nur beschränkt beigezogen werden können. Kommt es aber nur temporär zu<br />
solchen Verhältnissen, darf eine verbleibende „Reserve“ bis zum Versagen vermutet<br />
werden.<br />
Der Einfluss der Feuchtigkeit bleibt weitgehend unklar. Vom <strong>thermoplastische</strong>n Matrixwerkstoff<br />
PA12 ist bekannt, dass er Feuchtigkeit aufnimmt und dadurch einige negative<br />
Änderungen der mechanischen Eigenschaften erfährt. Aus den<br />
Verformungsmessungen und dem am Schluss eingetretenen Versagensmodus konnten<br />
aber keine entsprechenden Beobachtungen gemacht werden.<br />
Ein Vergleich der realisierten Verformungsmessungen hat gezeigt, welche Grössen<br />
empfindlich bzw. unempfindlich auf Klimaänderungen reagieren. Globale Deformationen,<br />
wie zum Beispiel die Durchbiegung, reagieren träge, so dass der Zeitpunkt des<br />
Einsetzens einer Umgebungsveränderung kaum ermittelt werden kann. Die Dehnungsmesswerte<br />
entsprechen Mittelwerten über die Länge der Deformetermessstrecke von<br />
200 mm. Die in Bild 33 dargestellte Dehnung in Lamellenmitte ist jeweils recht deutlich<br />
angestiegen, wenn die Temperatur erhöht wurde, eine Ankündigung des Versagens<br />
wurde aber auch hier nicht erkannt. Der Schlupf am Lamellenende ist eine sehr lokal<br />
wirkende Verformung, die sehr sensibel auf Temperaturänderungen reagiert hat. Nur<br />
hier konnte eine deutliche Ankündigung des Versagens erkannt werden.<br />
Diese Erfahrungen zeigen, dass für die Langzeitüberwachung von CFK-verstärkten<br />
Strukturen das Messsystem sorgfältig konzipiert werden muss. Anderenfalls besteht die<br />
Gefahr, dass die Ankündigung eines allfällig eintretenden Versagens zwar stattfindet,<br />
durch die Messungen aber nicht erfasst wird.<br />
82
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
3.4 Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
3.4.1 Der Träger ET<br />
Der für den Versuch ET verwendete Prüfkörper war ein Plattenbalken mit 6 m Spannweite,<br />
der schon in den 70er Jahren bei verschiedenen Forschungsprojekten an der<br />
EMPA Dübendorf eingesetzt wurde (Ladner und Weder [16]). Deuring benutzte eine<br />
leicht modifizierte Version des Trägers für die Untersuchung der Verstärkungswirkung<br />
von gespannt applizierten CFK-Lamellen (Balken 1, T Nr. 1 ... T Nr. 7; Deuring [4]). Im<br />
Rahmen eines Prüfauftrags der Sika (Schweiz) <strong>AG</strong> wurden 1999 zwei Versuche (B1 und<br />
B2) am gleichen (modifizierten) Balken durchgeführt (EMPA Bericht [9]).<br />
Für die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle<br />
wurde wiederum die von Deuring verwendete Ausführung des Plattenbalkens eingesetzt.<br />
Zum Vergleich wurden schliesslich die Resultate der Versuche an Balken 1 und<br />
B1 herbeigezogen.<br />
Abmessung und Bewehrung<br />
Bild 36 enthält eine Übersicht über die Masse und die Bewehrung des Trägers ET, sowie<br />
über die im Versuch realisierte Lagerung und Krafteinleitung. Im Trägermittelbereich<br />
waren keine Bügel vorgesehen, da diese die Lage der Risse beeinflusst hätten.<br />
Der Plattenbalken war mit vier <strong>thermoplastische</strong>n Lamellen der Generation 2 verstärkt.<br />
Tabelle 28 enthält eine Zusammenstellung der wichtigsten Versuchsdaten.<br />
6700<br />
350 1360 520<br />
2240<br />
[mm]<br />
Q Q<br />
Q Q Stahlplatte<br />
120×200×20<br />
4 ø 10<br />
4 ø 26<br />
2180 (Bügelbereich) 2240 (Bügelfrei)<br />
5755 (Lamellenlänge)<br />
Bg ø 6, s=104<br />
Bg ø10, s=104<br />
4 ø 10<br />
Bg ø 6, s =104<br />
Bg ø 10, s =104<br />
4 ø 26<br />
Betonüberdeckung 25<br />
Bild 36: Träger ET – Trägermasse, Bewehrung und Laststellung<br />
520 1360<br />
900<br />
50<br />
122,5<br />
350<br />
40<br />
412<br />
48<br />
Stahlplatte<br />
200×300×40<br />
160<br />
340<br />
500<br />
320 260 CFK - Lamellen<br />
ζ<br />
83
Bauteilversuche<br />
Bez. Prüfkörper Bewehrung Lamellen Herstellung<br />
l b h As ζ(As) As' ζ(As') Bügel Typ Anz. Al 1)<br />
[mm] [mm] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm] [mm 2 ] [mm]<br />
ET 6700 900/<br />
260<br />
1) nomineller Wert<br />
500 2124 452 314 36<br />
Ø10,<br />
s=104<br />
Tabelle 28: Träger ET – Zusammenstellung der Trägerdaten<br />
ζ(Al)<br />
Th. L., Gen. 2, Ch. 2 4 60 501 19.05.'00<br />
Versuchszeitraum<br />
18.07.-<br />
14.11.'00<br />
Baustoffe<br />
Beton<br />
DerTrägerETwurdeauseinemEMPA Standardbeton der Qualität B35/25 hergestellt.<br />
Für den gesamten Träger mussten drei 600 l-Chargen dieser Mischung produziert und<br />
verarbeitet werden.<br />
Der Zuschlag bestand aus Rundkies mit einem Grösstkorndurchmasser von 32 mm.<br />
Bei jeder Charge waren die Fraktionsanteile folgendermassen zusammengesetzt:<br />
0...4 mm – 388.2 kg; 4...8 mm – 193.8 kg; 8...16 mm – 205.8 kg; 16...32 mm –<br />
424.2 kg. Mit 180 kg eines Portlandzemetes Cem I 42.5 und 90 l Wasser wurde ein<br />
W/Z-Wert von 0.5 angestrebt.<br />
Die Bestimmung der Würfeldruckfestigkeit und der Bohrkernzugfestigkeit erfolgte<br />
entsprechend den Ausführungen in Kapitel 3.2.1. Das Alter der Würfel betrug am Prüftag<br />
53 Tage, das der Bohrkerne ca. 7 Monate. In Tabelle 29 sind alle gemessenen Festigkeitswerte<br />
zusammengestellt.<br />
Würfeldruckversuche Bohrkernzugversuche<br />
Rohdichte WürfeldruckfesBohrkernzug- Bemerkung:<br />
tigkeitfestigkeit Bruch im/ bei...<br />
ρc<br />
Versuche 2410<br />
2426<br />
2416<br />
fcw<br />
fctb<br />
[kg/m 3 ] [MPa] [MPa]<br />
41.6<br />
42.8<br />
40.3<br />
2.4<br />
0.9<br />
0.6<br />
1.7<br />
1.1<br />
Mittelwert 2417 44.0 (1.3)<br />
Standardabwei-<br />
(0.7)<br />
chung 8.1 1.6<br />
Tabelle 29: Versuch ET – Festigkeitswerte des Betons<br />
Stahlbewehrung<br />
...Betongefüge<br />
...grossem Zuschlagkorn<br />
...grossem Zuschlagkorn<br />
...Betongefüge<br />
...grossem Zuschlagkorn<br />
Die Zugbewehrung bestand aus vier Stäben mit nominellem Durchmesser Ø = 26 mm<br />
vom Typ topar 500 S (SIA-Register-Nr. 3.1: aus der Walzhitze vergütetes Stabmaterial<br />
der Firma Von Moos Stahl <strong>AG</strong>).<br />
84
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
An drei Proben wurden Zugversuche entsprechend den Ausführungen in Kapitel<br />
3.2.1 durchgeführt. Die daraus gewonnenen Spannungs-Dehnungsdiagramme in Bild 37<br />
und die mechanischen Kennwerte in Tabelle 30 beziehen sich auf den nominellen<br />
Querschnittsdurchmesser.<br />
Für die Druckbewehrung wurde ebenfalls Bewehrungsstahl vom Typ topar 500 S<br />
verwendet, der nominelle Durchmesser war Ø = 10 mm. Die Bügelbewehrung bestand<br />
aus Stäben mit Durchmesser Ø = 6 mm bzw. Ø = 10 mm vom Typ BSW-Super-Ring<br />
(SIA-Register-Nr. 13.4: warmgewalztes Ringmaterial der Firma Badische Stahlwerke<br />
GmbH). Die Druck- und die Bügelbewehrung wurden nicht weiter untersucht.<br />
Nennquerschnitt<br />
As,nom<br />
Versuche 530.9<br />
530.9<br />
530.9<br />
Querschnitt aus<br />
Wägemessung<br />
As,f(M,l,ρ)<br />
Fliessgrenze<br />
fy<br />
Zugfestigkeit<br />
[mm 2 ] [mm 2 ] [MPa] [MPa]<br />
523.9<br />
524.1<br />
525.0<br />
Mittelwert<br />
Standardabwei-<br />
530.9 524.3 516 626<br />
chung 0 0.6 3.6 3.6<br />
Tabelle 30: Versuch ET – Mechanische Kennwerte der Zugbewehrung<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
CFK-Lamellen<br />
σ [MPa]<br />
Der Träger ET war mit vier <strong>thermoplastische</strong>n Lamellen der Generation 2 verstärkt<br />
(Tabelle 28). Die Eigenschaften dieser Lamelle sind in Kapitel 2.2.4 enthalten.<br />
519<br />
512<br />
517<br />
0 50 100 150 200 250<br />
ε [‰]<br />
Bild 37: Versuch ET – Spannungs-Dehnungsdiagramm der Zugbewehrung<br />
ftk<br />
629<br />
627<br />
622<br />
85
Bauteilversuche<br />
Klebstoff<br />
Für die Applikation der Lamellen wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet. Die Eigenschaften<br />
dieses Klebstoffs sind in Kapitel 2.1.1 zusammengestellt.<br />
3.4.2 Versuchsdurchführung<br />
Versuchsanlage<br />
Der Versuch wurde in dem in Bild 38 gezeigten Prüfrahmen durchgeführt. Am Träger<br />
oben waren zwei Amsler Prüfzylinder montiert. Deren Maximalkraft betrug je 500 kN<br />
im dynamischen bzw. je 1000 kN im statischen Betrieb.<br />
In der Ermüdungsphase wurden die Prüfzylinder von einem hydraulischen Pulsator<br />
Amsler P131 gespiesen, bei welchem die Unter- und die Oberlast durch Einstellung des<br />
zugehörigen Öldrucks geregelt werden konnte.<br />
Für den statischen Bruchversuch wurden die Zylinder an eine Walter + Bai Ölpumpe<br />
mit Federkraftanzeige angehängt. Die Steuerung erfolgte manuell mit einem Handrad.<br />
Bild 38: Versuch ET - Versuchsanlage<br />
86
Orientierung<br />
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
Die Versuchsanlage stand parallel zu einer nahen Wand. Die Betrachtung von der offenen<br />
Seite her zeigte den Träger von „vorne“, die wandzugewandte Seite war „hinten“.<br />
„Links“ und „rechts“ folgten dementsprechend.<br />
Die Betrachtungsrichtung „vorne“ – „hinten“ entsprach der Orientierung NNW –<br />
SSO.<br />
Lagerung und Krafteinleitung<br />
Als Lager dienten zwei Betonblöcke mit darauf montierten Rollenlagern aus Stahl. Die<br />
von den Amsler Prüfzylindern erzeugte Kraft wurde mit kurzen Verteilträgern aufgeteilt,<br />
so dass der Träger in insgesamt vier Punkten belastet wurde.<br />
Mit Stahlplatten und Mörtelbetten konnte an den Lager- und Krafteinleitorten eine<br />
saubere Verteilung der dort hohen Spannungen realisiert werden.<br />
Während der Schwingphasen wurden an beiden Lagerorten die horizontale Bewegung<br />
zugelassen. Beim statischen Bruchversuch war die Rolle „links“ blockiert, horizontale<br />
Verschiebungen waren somit nur im Lager „rechts“ möglich.<br />
Messungen<br />
Fest verdrahtete Messinstrumente<br />
Im statischen Bruchversuch wurden die zwei in Bild 39 abgebildeten induktiven Wegaufnehmer<br />
(W1i, W2i: Messbereich ±100 mm; Maximaler Messfehler ±0.2% des<br />
Messwertes) verwendet, um die Durchbiegung in der Trägermitte zu erfassen.<br />
Die aus der Öldruckmessung ermittelte Pressenkraft (4Q) hatte (gemäss Kalibrierungsbericht)<br />
eine maximal Sollwertabweichung von 2.4% im Bereich bis 200 kN bzw.<br />
von 1.1% im Bereich bis 2000 kN (im statischen Betrieb).<br />
Die Daten der (nur im statischen Bruchversuch verwendeten) fest verdrahteten<br />
Messinstrumente wurden in Intervallen von 5 Sekunden automatisch registriert.<br />
Manuelle Messungen<br />
In der Ermüdungsphase wurde das Schwingen regelmässig unterbrochen (Schwingpausen),<br />
um bei statischen Beanspruchungen die Verformung zu messen. Hierbei kamen<br />
ausschliesslich die im Folgenden beschriebenen manuellen Messmethoden zur Anwendung.<br />
Für die Erfassung von Dehnungen wurde eine Serie von 500 mm – Messstrecken<br />
(D4...D34, Bild 39) mit Aluminiumbolzen markiert und deren Längenänderung mit dem<br />
Deformeter gemessen. Auf diese Weise konnte die Querschnittsverformung in Trägermitte<br />
(mit Messstrecken D4...D12, D18 und D29) und der Dehnungsverlauf entlang den<br />
Lamellen (mit Messstrecken D13...D34) bestimmt werden. Das Vorgehen beim Messen<br />
entsprach der in Kapitel 3.2.2 erläuterten Prozedur. Das Deformeter war an einen portablen<br />
Computer angeschlossen, so dass die Werte direkt in eine Tabelle eingelesen und<br />
grafisch dargestellt werden konnten.<br />
87
Bauteilversuche<br />
[mm]<br />
Bild 39: Versuch ET – Messungen am Träger<br />
Mit mechanischen 1 /100 mm - Messuhren wurde die Durchbiegung in Trägermitte<br />
(W1m, W2m) und bei den Krafteinleitungen (W3A, W3B) gemessen (Bild 39). Bei charakteristischen<br />
statischen Lasten (bei Schwingpausen oder bei Laststufen im statischen<br />
Bruchversuch) wurden sie abgelesen und die Werte von Hand notiert.<br />
Für den statischen Bruchversuch wurden die mechanischen Messuhren (W1m, W2m)<br />
durch die induktiven Wegaufnehmer (W1i, W2i) ersetzt, damit die Verformung kontinuierlich<br />
aufgezeichnet werden konnte.<br />
Die auf der „Vorderseite“ sichtbaren Risse wurden regelmässig mit einem Filzstift<br />
nachgezeichnet und fotografisch festgehalten.<br />
In der zweiten Hälfte der Ermüdungsphase war der Träger in eine Folie eingepackt,<br />
in der mit Hilfe von zwei Luftbefeuchtern ein feuchtes Klima erzeugt wurde. Zur groben<br />
88<br />
Lasteinleitplatte<br />
vorne<br />
oben<br />
vorne<br />
Lagerplatte<br />
hinten<br />
vorne<br />
60<br />
35<br />
600 1200<br />
D13 D14 D15<br />
W3A W1 (W2)<br />
W3B<br />
Q Q<br />
Q Q<br />
W3A<br />
D16<br />
252<br />
48<br />
40<br />
40<br />
120<br />
100<br />
60<br />
290<br />
290<br />
60<br />
100<br />
S1S2 D24<br />
S3<br />
D25 D26 D27 D28 D29 D30 D31<br />
S4<br />
S5<br />
unten<br />
hinten<br />
D17<br />
Legende<br />
Induktiver Wegaufnehmer (Ansicht)<br />
Induktiver Wegaufnehmer (Achsrichtung)<br />
DMS<br />
Deformetermessstrecke (500 mm)<br />
Deformetermessmarke Ansicht<br />
Deformeter für manuelle Messung<br />
Silverpaint-Streifen<br />
D7 (D10)<br />
D8 (D11)<br />
D9 (D12)<br />
D4<br />
D5<br />
D6<br />
W1<br />
D18<br />
W2<br />
D19<br />
D20<br />
100<br />
W3B<br />
60<br />
D21<br />
D22<br />
D32 D33<br />
S6<br />
290<br />
D23<br />
D34<br />
150<br />
140<br />
60<br />
100<br />
W3A,<br />
W2 W3B<br />
W1<br />
hinten<br />
vorne<br />
S7 S8<br />
120<br />
252<br />
40<br />
40<br />
48
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
Überwachung der Feuchtigkeit und der Temperatur wurden „links“, in der Mitte und<br />
„rechts“ am Träger je ein Haushaltshygrometer und ein -thermometer fixiert. Die<br />
Messwerte wurden von Hand protokolliert.<br />
Zusatzmessung: „Silverpaintmethode“<br />
Wie bei Versuch PS4 wurde auch beim statischen Bruchversuch am Träger ET das Lamellenabschälen<br />
mit der „Silverpaintmethode“ untersucht. Das Prinzip der Messmethode<br />
ist in Kapitel dargestellt. Die Anordnung der Silverpaintstreifen ist in Bild 39<br />
gegeben.<br />
Versuchsvorbereitung und -ablauf<br />
Versuchsvorbereitung<br />
Nachdem der Beton des Trägers ausgehärtet war, wurde die Stegunterseite durch Stocken<br />
für das Kleben vorbereitet. Danach folgte der Trägereinbau in die Prüfanlage, so<br />
dass das Kleben der vier <strong>thermoplastische</strong>n Lamellen als Überkopfarbeit verrichtet<br />
werden musste (in der Praxis übliche Ausführungsweise). Das Vorgehen entsprach ansonsten<br />
den Ausführungen in Kapitel 3.2.2.<br />
Vor Start der Ermüdungsphase:<br />
Nachdem der Klebstoff ausgehärtet war, konnten die Messvorrichtungen angebracht<br />
werden: die Aluminiumbolzen wurden geklebt und die mechanischen Messuhren positioniert<br />
und justiert. Zwecks besserer Sichtbarkeit der Risse wurde schliesslich die Trägervorderseite<br />
weiss gestrichen.<br />
Nach 5 Millionen Lastzyklen (LZ):<br />
Für die zweite Hälfte der Ermüdungsphase wurde der Träger in eine Plastikfolie gepackt.<br />
An zwei Stellen wurde ein Befeuchter montiert, der Wasserdampf in das „Folienzelt“<br />
hineinblies. Die „Talsohle“ des Folienzelts hatte ein konstantes Gefälle, so<br />
dass Kondenswasser abgeleitet werden konnte.<br />
Nach 10 Millionen Lastzyklen (LZ), vor dem statischen Bruchversuch:<br />
Nach der zweiten Hälfte der Ermüdungsphase wurde das Folienzelt wieder entfernt und<br />
der Träger für den statischen Bruchversuch vorbereitet. Hierbei wurden vor allem die<br />
mechanischen Messuhren W1m und W2m durch die induktiven Wegaufnehmer W1i und<br />
W2i ersetzt und die Messvorbereitungen für die Durchführung der „Silverpaintmethode“<br />
getroffen (wie in Kapitel 3.2.2 dargestellt).<br />
Für die Versuchsüberwachung wurde eine statische Berechung durchgeführt, die eine<br />
Prognose des Biegeverhaltens lieferte.<br />
89
Bauteilversuche<br />
Versuchsablauf<br />
Vor Belastungsbeginn war der Plattenbalken nur durch sein Eigengewicht beansprucht.<br />
In diesem Zustand wurden die mechanischen Messuhren abgelesen und zwei Nullmessungen<br />
mit dem Deformeter durchgeführt.<br />
Mit einer statischen Vorbelastung bis 4Q = 450 kN wurde das in Bild 40 abgebildete<br />
Rissbild erzeugt. Die über die Walter + Bai Federkraftanzeige gesteuerte Belastung erfolgte<br />
stufenweise und mit regelmässiger Verformungsmessung. Danach wurde die<br />
Kraft wieder abgelassen.<br />
Anschliessend wurde die Ermüdungsphase gestartet. Mit einer Frequenz von<br />
ca. 4.3 Hz wurde die Belastung zwischen Unterlast (4Q = 150 kN) und Oberlast<br />
(4Q = 300 kN) alterniert. Nach 1.9 und 3.4 Millionen Lastzyklen wurde eine Schwingpause<br />
eingelegt, um bei den statischen Lasten 4Q = 0, 150 und 300 kN Verformungsmessungen<br />
durchzuführen. Nach 5 Millionen Lastzyklen war die erste Hälfte der<br />
Ermüdungsphase abgeschlossen.<br />
In der zweiten Hälfte der Ermüdungsphase wurde der Plattenbalken einem feuchtwarmem<br />
Klima ausgesetzt. Nach insgesamt 6.6 und 8.4 Millionen Lastzyklen folgten<br />
Schwingpausen mit Verformungsmessungen, nach total 10 Millionen Lastzyklen war<br />
auch die zweite Hälfte der Ermüdungsphase abgeschlossen.<br />
Die Schwingpausen dienten, wie bereits erwähnt, der Erfassung der Verformung bei<br />
drei statisch aufgebrachten Laststufen. Damit aber die Messarbeiten in einem angenehmen<br />
Arbeitsrhythmus durchgeführt werden konnten, wurden die Unterbrüche als<br />
Pufferzeit genutzt und manchmal während einigen Tagen aufrechterhalten.<br />
Wie bei der Vorbelastung wurde der statische Bruchversuch über das Handrad der<br />
Walter + Bai Federkraftanzeige gesteuert. Damit gelang eine sehr sorgfältige Regulierung<br />
der Kraftzunahme, bis die für die Verformungsmessung vorgesehenen Laststufen<br />
erreicht waren. Auf diesen Stufen wurde die Verformung während je etwa 10 bis 15<br />
Minuten konstant gehalten, bis alle Messungen abgeschlosen waren. Durch Vergleich<br />
der Messresultate mit den prognostizierten Werten konnte der Versuch überwacht werden.<br />
Die stufenweise Krafterhöhung wurde fortgesetzt, bis nach etwa 90 Minuten das<br />
Versagen erreicht war.<br />
3.4.3 Kurzbeschreibung der Versuche an Balken 1 und B1<br />
Versuch an Balken 1<br />
Deuring prüfte von 1990 bis 1992 acht Plattenbalken mit identischer Geometrie und<br />
Lastanordnung (Deuring [4]). Balken 1 war der unverstärkte Referenzversuch und bildete<br />
den Anfang dieser Serie.<br />
Für die Herstellung des Trägers wurde ein Beton der Qualität B 35/25 verwendet.<br />
Das Grösstkorn hatte einen Durchmesser von 32 mm, der Zementgehalt betrug<br />
300 kg/m3 und der Wassergehalt 150 kg/m3 . Die Bewehrung bestand aus Betonstahl<br />
vom Typ topar-500S.<br />
90
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
Balken 1 wurde in einem statischen Bruchversuch geprüft. Das heisst, dass entsprechend<br />
dem Laststufenplan die Kraft kontinuierlich erhöht wurde, bis das Versagen eintrat.<br />
Die Verformungsmessung wurde jeweils bei Erreichen einer Laststufe ausgelöst.<br />
Versuch an B1<br />
B1 war der erste von zwei Versuchen am Plattenbalken, die 1999 im Auftrag der Sika an<br />
der EMPA durchgeführt wurden (EMPA Bericht [9]). Mit diesen paxisnahen Versuchen<br />
sollte die Tauglichkeit des CFK-Verstärkungssystems CarboDur bei Ermüdungsbeanspruchung<br />
bestätigt werden.<br />
Auch der Träger B1 wurde aus Beton B 35/25 hergestellt. Der Grösstkorndurchmesser<br />
betrug 32 mm, der Zementgehalt 300 kg/m3 . Die Bewehrung bestand aus einem<br />
Bewehrungsstahl der Qualität S500.<br />
B1 war mit vier Lamellen vom Typ Sika CarboDur S512 verstärkt. Die Querschnittsfläche<br />
betrug je 62.5 mm2 , der Elastizitätsmodul 163 GPa. Für die Applikation<br />
wurde der Klebstoff Sikadur-30 verwendet<br />
Nach dem Einbau in den Prüfrahmen wurde zuerst die statische Last 4Q = 450 kN<br />
aufgebracht, um ein möglichst vollständiges Rissbild zu erzeugen. In der darauf folgenden<br />
Ermüdungsphase wurde der Träger mit einer Frequenz von ca. 4.4 Hz dynamisch<br />
beansprucht. In drei ungefähr gleich grossen Schwingeinheiten wurde die Kraft<br />
zwischen der Unterlast (4Q = 150 kN) und der Oberlast (4Q = 300 kN) alterniert, bis<br />
nach ca. zwei Wochen 5 Millionen Lastzyklen erreicht waren. Nach jeder dieser Einheiten<br />
wurden die Trägerverformung bei statisch aufgebrachter Unter- und Oberlast gemessen.<br />
Nach Abschluss der Schwingphase folgte ein statischer Bruchversuch.<br />
3.4.4 Versuchsresultate<br />
Auswertung und Darstellung der Messdaten<br />
Fest verdrahtete Messunginstrumente<br />
Der für die Messungen eingesetzte Computer lieferte direkt die von den induktiven<br />
Wegaufnehmern registrierten Verformungen in Balkenmitte (Auswertung entsprechend<br />
den Ausführungen in Kapitel 3.2.3).<br />
Durch die doppelte Messung an dieser Stelle (W1i „vorne“, W2i „hinten“) sollte eine<br />
allfällige Verkippung um die Längsachse bzw. Torsion erkannt werden. Dieser Effekt<br />
erwies sich als vernachlässigbar, daher wurde im weiteren nur der Mittelwert der zwei<br />
Messwerte verwendet.<br />
Über den Öldruck in den Kammern der zwei Pressen wurde die an den vier Stellen<br />
eingeleitete Kraft ermittelt. Diese Kraft wurde daher als 4Q bezeichnet.<br />
91
Bauteilversuche<br />
Manuelle Messungen<br />
Die mit dem Deformeter erfassten Längenänderung der Messstrecken D4...D34 wurden<br />
entsprechend den Ausführungen in Kapitel 3.2.3 ausgewertet.<br />
Die von den mechanischen Messuhren stammenden Ablesewerte mussten um die<br />
Referenzwerte aus der Nullmessung reduziert werden. Dann lagen auch hier die Nettodurchbiegungen<br />
vor.<br />
„Silverpaintmethode“<br />
Die Auswertung der „Silverpaintmethode“ erfolgte so, wie in Kapitel 3.2.3 dargestellt.<br />
Tabelle 31 enthält eine Übersicht über die Herkunft der Messwerte.<br />
Messinstrument/<br />
physische Messgrösse<br />
Induktive<br />
Wegaufnehmer <br />
Pressenkraft<br />
Deformetermessstrecken<br />
W1, W2<br />
W3A, W3B<br />
D4...D12<br />
D13...D34<br />
direkter Messwert abgeleiteter Messwert<br />
Messwert Auswertung Messwert Auswertung<br />
w1, w2<br />
w3A, w3B<br />
4Q 4Q direkt gemessen<br />
εc (D4)...εc (D12)<br />
εl (D13)...εl (D34)<br />
direkt gemessen wm Mittelwert {w1, w2}<br />
Korrektur systematischer Messfehler,<br />
Differenzbildung zur<br />
Nullmessung, Bezug zur Basislänge<br />
Tabelle 31: Versuch ET – Vom Messinstrument zum Messwert<br />
εc, sup<br />
εs, sup<br />
εc, m<br />
εs, inf<br />
εl, m<br />
Mittelwert {εc (D4)...εc (D6)}<br />
Mittelwert {εc (D7)...εc (D10)}<br />
Mittelwert {εc (D8)...εc (D11)}<br />
Mittelwert {εc (D9), εc (D12)}<br />
Mittelwert {εl (D18), εl (D29)}<br />
Versuch ET<br />
Vorbelastung und Ermüdungsversuch<br />
In Tabelle 32 sind die Laststufen und die Schwingpausen aufgelistet, bei welchen die<br />
Verformung infolge statischer Belastung gemessen wurden. Die dabei erfassten Durchbiegungen<br />
der Trägermitte sind in Bild 41 dargestellt. Die Dehnungen bei einigen ausgewählten<br />
Punkten der Belastungsgeschichte sind in Bild 42 enthalten.<br />
Die statische Vorbelastung führte zu einem ersten Riss bei einer Last von<br />
4Q = ca. 55 kN. Die stufenweise Erhöhung der Beanspruchung wurde fortgesetzt bis<br />
4Q = 450 kN, dann wurde die Kraft wieder vollständig abgelassen. Durch diese Beanspruchung<br />
hatten sich entlang der gesamten Trägerlänge Risse gebildet. Im bügelfreien<br />
Mittelbereich, zwischen den Krafteinleitstellen, verliefen sie meist senkrecht und hatten<br />
einen mittleren Abstand von ca. 90 mm. Gegen die Auflager hin waren sie zunehmend<br />
geneigt, wobei die äussersten Risse eine Neigung von ca. 45° hatten (Bild 40).<br />
Nach der Entlastung wurde eine verbleibende Verformung gemessen. Diese ist sowohl<br />
im Kraft-Durchbiegungsdiagramm in Bild 41 als auch in den Dehnungsdiagrammen<br />
in Bild 42 erkennbar.<br />
92
Bild 40: Versuch ET – Rissentwicklung bei der Vorbelastung<br />
Laststufe<br />
0<br />
½ 123210<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1<br />
2<br />
4Q wm εc, sup εl (D18) εl (D29) Anzahl<br />
Lastwechsel<br />
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰] [·10 6 ]<br />
0<br />
75<br />
150<br />
300<br />
450<br />
300<br />
150<br />
0<br />
0<br />
150<br />
300<br />
0<br />
150<br />
300<br />
0<br />
150<br />
300<br />
0<br />
150<br />
300<br />
0<br />
150<br />
300<br />
0<br />
150<br />
300<br />
0<br />
150<br />
300<br />
0.00<br />
2.84<br />
7.18<br />
16.17<br />
25.65<br />
19.29<br />
11.82<br />
4.37<br />
6.28<br />
12.12<br />
19.70<br />
6.02<br />
12.25<br />
19.82<br />
5.46<br />
11.90<br />
19.54<br />
6.25<br />
12.42<br />
20.12<br />
6.49<br />
12.79<br />
20.30<br />
6.92<br />
12.87<br />
20.36<br />
7.37<br />
13.09<br />
20.53<br />
0.00<br />
-0.11<br />
-0.22<br />
-0.43<br />
-0.67<br />
-0.49<br />
-0.30<br />
-0.08<br />
-0.11<br />
-0.31<br />
-0.51<br />
-0.13<br />
-0.33<br />
-0.53<br />
-0.12<br />
-0.31<br />
-0.51<br />
-0.15<br />
-0.34<br />
-0.54<br />
-0.14<br />
-0.34<br />
-0.54<br />
-0.14<br />
-0.34<br />
-0.54<br />
-0.14<br />
-0.34<br />
-0.54<br />
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
0.00<br />
0.26<br />
0.70<br />
1.50<br />
2.27<br />
1.65<br />
1.00<br />
0.34<br />
0.45<br />
1.03<br />
1.70<br />
0.47<br />
1.03<br />
1.70<br />
0.42<br />
1.00<br />
1.68<br />
0.47<br />
1.03<br />
1.70<br />
0.53<br />
1.11<br />
1.76<br />
0.59<br />
1.13<br />
1.79<br />
0.59<br />
1.13<br />
1.78<br />
0.00<br />
0.30<br />
0.71<br />
1.48<br />
2.24<br />
1.63<br />
0.98<br />
0.32<br />
0.45<br />
1.02<br />
1.68<br />
0.45<br />
1.02<br />
1.68<br />
0.40<br />
0.99<br />
1.65<br />
0.46<br />
1.02<br />
1.69<br />
0.51<br />
1.06<br />
1.71<br />
0.56<br />
1.10<br />
1.74<br />
0.61<br />
1.11<br />
1.75<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
1.9<br />
1.9<br />
1.9<br />
3.4<br />
3.4<br />
3.4<br />
3.4<br />
3.4<br />
3.4<br />
5.0<br />
5.0<br />
5.0<br />
6.7<br />
6.7<br />
6.7<br />
8.4<br />
8.4<br />
8.4<br />
10.0<br />
10.0<br />
10.0<br />
Datum Bemerkung<br />
18.07.'00<br />
18.07.'00<br />
18. 07.'00<br />
18. 07.'00<br />
18. 07.'00<br />
18. 07.'00<br />
18.07.'00<br />
18.07.'00<br />
24.07.'00<br />
24.07.'00<br />
24.07.'00<br />
28.07.'00<br />
28.07.'00<br />
28.07.'00<br />
03.08.'00<br />
03.08.'00<br />
03.08.'00<br />
07.08.'00<br />
07.08.'00<br />
07.08.'00<br />
23.08.'00<br />
23.08.'00<br />
23.08.'00<br />
28.08.'00<br />
28.08.'00<br />
28.08.'00<br />
01.09.'00<br />
01.09.'00<br />
01.09.'00<br />
Nullmessung<br />
Vorbelastung<br />
Vorbelastung<br />
Vorbelastung<br />
Entlastung<br />
Entlastung<br />
Entlastung<br />
Entlastung<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Start Unterbruch<br />
Ende Unterbruch<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „trocken“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Ermüdung „feucht“<br />
Tabelle 32: Versuch ET – Laststufen der Vorbelastung und Schwingpausen in der Ermüdungsphase<br />
93
Bauteilversuche<br />
Die erste Phase des Ermüdungsversuchs wurde bei Raumklima (ca. 22°C,<br />
40% rel. F.) durchgeführt. Die Messung in den Schwingpausen nach 1.9, 3.4 und 5<br />
Millionen Lastzyklen ergaben eine leichte Verformungszunahme mit steigender Anzahl<br />
Lastzyklen. Die gedrängte Sägezahnlinie in Bild 41 zeigt die Auswirkung auf die<br />
Durchbiegung. In Bild 42 ist der Dehnungszustand am Ende der ersten Phase des Ermüdungsversuchs<br />
(nach 5 Millionen Lastzyklen) dargestellt.<br />
Gegenüber dem Träger nach der Vorbelastung waren die Risse teilweise leicht gewachsen,<br />
neue hatten sich aber keine gebildet.<br />
In der zweiten Phase des Ermüdungsversuchs war der Plattenbalken einer relativen<br />
Luftfeuchtigkeit von 95% und einer leicht erhöhten Temperatur von 26°C ausgesetzt.<br />
Die Messungen in den Schwingpausen nach 6.6, 8.4 und 10 Millionen Lastzyklen ergaben<br />
wiederum eine leichte Zunahme der durch die statische Belastung verursachten<br />
Verformung (Bild 41 und Bild 42). Es konnte aber kein starker Einfluss der nun anspruchsvolleren<br />
klimatischen Bedingungen erkannt werden.<br />
Risse hatten sich keine neuen gebildet, einige der bestehenden waren aber leicht gewachsen.<br />
Bild 41: Versuche ET und B1 – Kraft-Durchbiegungsdiagramm bei Vorbelastung und<br />
Ermüdungsversuch<br />
94<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
4Q [kN]<br />
B1 (0...5 Mio LZ)<br />
ET "trocken" (0...5 Mio LZ)<br />
ET "feucht" (5...10 Mio LZ)<br />
0 5 10 15 20 25<br />
wm [mm]
4Q = 0 kN<br />
4Q = 150 kN<br />
4Q = 300 kN<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
ε l [‰]<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
-2500 2500<br />
ε l [‰]<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
Statischer Bruchversuch<br />
x [mm]<br />
-2500 x [mm]<br />
2500<br />
1.8<br />
0.0 Lamelle "hinten" 2)<br />
1.8<br />
ε l [‰]<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
-0.6 1.8<br />
ε [‰] 3)<br />
-0.6 1.8<br />
ε [‰]<br />
1) Dehnungen εl(D13)...εl(D23)<br />
2) Dehnungen εl(D24)...εl(D34)<br />
3) Dehnungen εc, sup, εs, sup, εc, m, εs, inf, εl, m (von „oben“ nach „unten“)<br />
3)<br />
-2500 x [mm]<br />
2500<br />
Bild 42: Versuch ET – Dehnung bei statischer Last nach verschiedener Anzahl Lastzyklen<br />
In Tabelle 33 sind die Laststufen dargestellt, bei welchen Verformungsmessungen<br />
durchgeführt wurden. Das Kraft-Durchbiegungsdiagramm in Bild 43 stammt aus der<br />
kontinuierlichen Messung mit den induktiven Wegaufnehmern, die Dehnungen in Bild<br />
44 zeigen den Zustand bei einigen ausgewählten Laststufen.<br />
Da der Plattenbalken bereits gerissen war, verlief der Anstieg im Kraft-Durchbiegungsdiagramm<br />
(Bild 43) bis zum Erreichen des Stahlfliessens bei 4Q = ca. 610 kN<br />
-200<br />
300<br />
-200<br />
300<br />
-200<br />
300<br />
z [mm]<br />
z [mm]<br />
1. Belastung<br />
1. Entlastung<br />
nach 5 Mio LZ<br />
nach 10 Mio LZ<br />
1. Belastung<br />
1. Entlastung<br />
nach 5 Mio LZ<br />
nach 10 Mio LZ<br />
-0.6 1.8<br />
ε [‰] 3)<br />
z [mm]<br />
1. Belastung<br />
1. Entlastung<br />
nach 5 Mio LZ<br />
nach 10 Mio LZ<br />
95
Bauteilversuche<br />
nahezu linear. Die Kraft wurde weiter erhöht, bis nach dem Erreichen des Maximums<br />
von 4Q = 702 kN das Versagen durch Lamellenabscheren folgte.<br />
Die aus der Vorbelastung stammenden Risse blieben quasi unverändert bis zur Egalisierung<br />
der damals aufgebrachten Kraft von 4Q = 450 kN. Danach wuchsen sie langsam<br />
hinauf bis in die Platte des Trägers hinein; die Druckzone lag also, wie durch<br />
Berechnung und Messung bestätigt, innerhalb der Platte. Neue Risse hatten sich bis zum<br />
Trägerversagen keine mehr gebildet.<br />
Die Auswertung der „Silverpaintmethode“ lieferte das Diagramm in Bild 45. Demnach<br />
hatte das Ablösen seinen Ursprung unter der „linken“ Krafteinleitung. Von dort<br />
aus lief der Riss gegen das „linke“ Auflager und trennte so die Lamelle vom Träger,<br />
dann folgte die Rissausbreitung gegen „rechts“. Schliesslich blieb die Lamelle an einem<br />
ca. 20 cm langen Abschnitt beim „rechten“ Auflager hängen.<br />
Über eine Länge von etwa ¾ der Spannweite lag die Abscherebene im Beton des<br />
Trägers (inkl. des Bereichs, wo der Ursprung des Ablösens ermittelt wurde). Zwischen<br />
den Krafteinleitungen, wo der Träger keine Bügel hatte, reichte die Tiefe der abgerissenen<br />
Betonschicht bis auf die Biegezugbewehrung. Anders sah die Trennebene im Bereich<br />
der Auflager aus: dort lag sie in den Lamellen selbst. Beim „rechten“ Auflager<br />
herrschte vermutlich eine „Mode I“ - dominierte Beanspruchung (d.h. Rissuferzugkraft<br />
senkrecht zur Rissebene), die zu einer bürstenartigen Ausfransung der Trennfläche<br />
führte (Bild 46).<br />
Laststufe<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
4Q wm εc, sup εl (D18) εl (D29) Bemerkung<br />
[kN] [mm] [‰] [‰] [‰]<br />
0<br />
0<br />
150<br />
148<br />
302<br />
298<br />
448<br />
437<br />
597<br />
573<br />
626<br />
611<br />
651<br />
642<br />
0<br />
0<br />
5.85<br />
5.65<br />
13.3<br />
13.2<br />
21<br />
20.9<br />
30.1<br />
30.15<br />
40.1<br />
40.5<br />
55.3<br />
55.55<br />
-0.22 0.44 0.44<br />
Nullmessung<br />
Zustand II<br />
-0.41 0.96 0.95 Zustand II<br />
-0.61 1.64 1.61 Zustand II<br />
-0.8 2.31 2.27 Zustand II<br />
-1.04 3.25 3.18 Zustand II<br />
-1.3 4.82 4.75 Zustand III<br />
-1.59 6.64 6.58 Zustand III<br />
701 80.1 ~ -2.1 1) ~ 9.6 1) ~ 9.6 1) Höchstlast<br />
1) Wegen des linearen Verformungsverlaufs innerhalb der Zustände I, II und III wurden die Dehnungen bei Höchstlast<br />
durch Extrapolation der vorangehenden Messwerte bestimmt, z.B.:<br />
ε l,max (D18)≈6.64�(6.64�4.82)<br />
Tabelle 33: Versuch ET – Laststufen im statischen Bruchversuch<br />
96<br />
80.1� (55.55�55.3)<br />
2<br />
(55.55�55.3)<br />
�<br />
2<br />
(40.5�40.1)<br />
2<br />
= 9.6
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
4Q [kN]<br />
1<br />
2<br />
3<br />
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
4<br />
Balken 1 (unverstärkter Träger)<br />
B1 (mit CarboDur S512)<br />
ET<br />
B1 Schwingphase (0...5 Mio LZ)<br />
ET Schwingphase (0...10 Mio LZ)<br />
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90<br />
wm [mm]<br />
Bild 43: Versuche ET, B1 und Balken1 – Kraft-Durchbiegungsdiagramm im statischen<br />
Bruchversuch<br />
5<br />
Vergleich der Ermüdungsversuche an den Trägern ET und B1<br />
In Bild 41 sind die Kraft-Durchbiegungsdiagramme der Vorbelastung und der Ermüdungsversuche<br />
an den Trägern ET und B1 dargestellt.<br />
Die Vorbelastung war bei beiden Versuchen gleich und erzeugte ähnliche Verformungen.<br />
Während der Ermüdungsversuch an Träger ET aus zwei Phasen bestand (5 Millionen<br />
Lastzyklen „trocken“ + 5 Millionen Lastzyklen „feucht“), wurde Träger B1 nur entsprechend<br />
der ersten dieser Phasen geprüft. Bei Träger ET wurden in den Schwingpausen<br />
die Verformung bei 4Q = 0, 150 und 300 kN durchgeführt, während bei Träger B1<br />
die erste dieser Laststufen ausgelassen wurde.<br />
Trotz dieser Unterschiede erkennt man eine gute Übereinstimmung der Durchbiegungsmesswerte<br />
in Bild 41. Da die Stahlbewehrung nur im elastischen Bereich beansprucht<br />
wurde (Zustand II), ist die unterschiedliche Steifigkeit der für die Verstärkung<br />
der Träger ET und B1 verwendeten Lamellen nicht erkennbar.<br />
6<br />
97
Bauteilversuche<br />
Einfluss der LZ, 4Q=0kN<br />
Einfl. der LZ, 4Q=150kN<br />
Einfl. der LZ, 4Q=300kN<br />
Stat. Bruchversuch<br />
98<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
1.8<br />
0.0<br />
ε l [‰]<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
-2500<br />
εl [‰]<br />
x [mm]<br />
2500<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
-2500<br />
εl [‰]<br />
x [mm]<br />
2500<br />
1.8<br />
0.0 Lamelle "hinten" 2)<br />
1.8<br />
0.0<br />
5.0<br />
0.0<br />
5.0<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
-2500<br />
εl [‰]<br />
x [mm]<br />
2500<br />
Lamelle "vorne" 1)<br />
Lamelle "hinten" 2)<br />
-2500 x [mm]<br />
2500<br />
1)<br />
Dehnungen εl(D13)...εl(D23)<br />
2)<br />
Dehnungen εl(D24)...εl(D34)<br />
3)<br />
Dehnungen εc, sup, εs, sup, εc, m, εs, inf, εl, m (von „oben“ nach „unten“)<br />
-0.6 ε [‰] 1.8<br />
3)<br />
Bild 44: Versuch ET – Dehnungen im Ermüdungsversuch und im statischen Bruchversuch<br />
-200<br />
300<br />
-200<br />
300<br />
-200<br />
300<br />
-200<br />
300<br />
z [mm]<br />
z [mm]<br />
1. Belastung<br />
1. Entlastung<br />
nach 5 Mio LZ<br />
nach 10 Mio LZ<br />
1. Belastung<br />
1. Entlastung<br />
nach 5 Mio LZ<br />
nach 10 Mio LZ<br />
-0.6 1.8<br />
ε [‰] 3)<br />
z [mm]<br />
1. Belastung<br />
1. Entlastung<br />
nach 5 Mio LZ<br />
nach 10 Mio LZ<br />
-0.6 1.8<br />
ε [‰] 3)<br />
z [mm]<br />
Laststufe:<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
-2.0 7.0<br />
ε [‰] 3)
U<br />
Versagen<br />
S3<br />
1024.4 1024.6<br />
3. S1<br />
(bei 3064.55 ms) 2. S2<br />
(bei 3064.52 ms)<br />
K1: S1+S2<br />
K2: S3+S4<br />
K3: S5+S6<br />
K4: S7+S8<br />
Bild 45: Versuch ET – Versagen der Silverpaintstreifen<br />
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
Versagen S2<br />
Versagen S1<br />
Versagen S4<br />
3064.2 3065.2<br />
1. S3<br />
(bei 1024.45 ms)<br />
t [ms]<br />
4. S4<br />
(bei 3064.94 ms)<br />
Versagen<br />
S5<br />
3071.6 3071.8<br />
Versagen<br />
S6<br />
4027.2 4027.4<br />
5. S5<br />
6. S6 S7 S8<br />
(bei 3071.71 ms) (bei 4027.30 ms)<br />
Vergleich der Bruchversuche an den Trägern ET, B1 und Balken 1<br />
In Bild 43 sind die Kraft-Durchbiegungsdiagramme der statischen Bruchversuche an<br />
den Trägern ET, B1 und Balken 1 dargestellt. Die mit CFK-Lamellen verstärkten Träger<br />
ET und B1 waren zuvor schon einem Ermüdungsversuch ausgesetzt gewesen, während<br />
Balken 1 bei Versuchsbeginn noch nicht einmal angerissen war.<br />
Die Kraft-Durchbiegungsdiagramme der Versuche ET und B1 verliefen bis zum Erreichen<br />
des Stahlfliessens bei 4Q = ca. 610 kN nahezu deckungsgleich. Danach verhielt<br />
sich Träger B1 etwas steifer und erreichte mit 4Q = 743 kN eine um ca. 6% höhere<br />
Versagenslast als Träger ET. Letzterer versagte dafür bei einer etwas grösseren Verformung.<br />
Wie schon beim Vergleich der Versuche PS1 (bzw. PS4) und PS2 (Kapitel<br />
3.2.3) erwähnt, kommt diese Beobachtung vermutlich von den unterschiedlichen Steifigkeiten<br />
der Lamelle Sika CarboDur S512 (am Träger B1) und der <strong>thermoplastische</strong>n<br />
Lamelle (am Träger ET).<br />
Balken 1 verhielt sich von Anfang an weicher als die verstärkten Träger ET und B1.<br />
Die Kraft, bei welcher der Bewehrungsstahl zu fliessen begann, war fast gleich wie bei<br />
den anderen Versuchen. Danach folgte aber kaum mehr ein Ansteigen der Kraft, so dass<br />
bei 4Q = 636 kN die Traglast erreicht war.<br />
Das Diagramm zu Balken 1 in Bild 43 entstand aus den wenigen Punkten, die bei den<br />
Laststufen im Versuch erfasst wurden.<br />
99
Bauteilversuche<br />
Bild 46: Versuch ET – Abgescherte Lamelle nach dem Versagen<br />
Folgerungen aus dem Versuch am Träger ET<br />
Die Lastzyklen haben keine erkennbaren Ermüdungserscheinungen an der <strong>thermoplastische</strong>n<br />
Lamelle bzw. am Verbund zwischen Lamelle und Beton bewirkt. Wäre es zu<br />
Schädigungen gekommen, die das Tragverhalten des Plattenbalkens ET beeinflussen,<br />
hätte dies vermutlich einen Einfluss gehabt auf das Last-Verformungsverhalten des am<br />
Schluss durchgeführten Bruchversuchs. Entsprechende Beobachtungen wurden allerdings<br />
keine verzeichnet.<br />
Die mit der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle gemachten Erfahrungen decken sich sehr gut<br />
mit denjenigen, die anhand des weitgehend identischen Versuchs mit der Lamelle Sika<br />
CarboDur S512 gemacht wurden (EMPA Bericht [9]). Die Produkte können daher bezüglich<br />
der Eignung zur Aufnahme von Wechsellasten als gleichwertig eingestuft wer-<br />
100
Versuch am Träger ET: Ermüdung und statischer Bruchversuch<br />
den: beide haben sich im Versuch sehr gut bewährt und dürfen deshalb auch für die<br />
Verstärkung von wechsellastbeanspruchten Bauteilen in Betracht gezogen werden.<br />
Wie schon in Kapitel 3.3.3 bemerkt, wurde wegen der erhöhten Feuchtigkeit in der<br />
zweiten Hälfte der Ermüdungsphase eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften<br />
des Matrixmaterials PA12 erwartet. Die Lamelle wurde aber in diesem Versuch in keinerlei<br />
Hinsicht massgebend. Auch sonst konnte keine feuchtigkeitsbedingte Versuchsbeeinflussung<br />
festgestellt werden.<br />
Der statische Bruchversuch hat zum Versagen durch Lamellenabscheren geführt. Die<br />
gute Haftung Lamelle-Klebstoff äusserte sich wieder darin, dass die Abscherebene im<br />
Bereich des Versagensursprungs innerhalb des Betongefüges lag.<br />
101
4 Weitere Erkenntnisse<br />
4.1 Aufrollversuch<br />
Von im Bauwesen eingesetzten Werkstoffen wird in der Regel verlangt, dass sie keine<br />
besonderen Massnahmen bezüglich Lagerung, Transport und Handhabung erfordern.<br />
Die bisher verwendete Lamelle Sika CarboDur S512 wird für Transportzwecke gerollt<br />
(Innendurchmesser ca. 900 mm) und in Transportcontainern gelagert. Bei der Verfrachtung<br />
per Schiff können in einem solchen Container Temperaturen bis 60°C<br />
auftreten.<br />
Lamellenbezeichnung<br />
Generation 2<br />
Charge 3:<br />
„SUPreM<br />
CarboDur<br />
T 512<br />
Lot 001“<br />
Generation 2<br />
Charge 4<br />
Generation 2<br />
Charge 4<br />
Generation 2<br />
Charge 4<br />
Generation 2<br />
Charge 4<br />
Rollendurchmesser<br />
innen<br />
Anzahl<br />
Lagen<br />
[mm] [-]<br />
Lage der<br />
Käsestruktur<br />
Temperatur<br />
ca. 650 3 innen 45<br />
ca. 650 4 innen 56<br />
ca. 750 4 innen 56<br />
ca. 900 4 innen 56<br />
ca. 650 4 aussen 56<br />
Tabelle 34: Ergebnisse der Aufrollversuche<br />
Beobachtung<br />
[innen/<br />
aussen] [°C] nach 3 Tagen nach 27 Tagen<br />
Rolle ausgeknickt,<br />
vgl. Bild 47<br />
blasenartiges Ablösen<br />
der Fasern auf<br />
Rolleninnenseite<br />
(Ausknicken der<br />
Oberflächenfasern)<br />
blasenartiges Ablösen<br />
der Fasern auf<br />
Rolleninnenseite<br />
(Ausknicken der<br />
Oberflächenfasern)<br />
keine erkennbare<br />
Schädigung<br />
keine erkennbare<br />
Schädigung<br />
-<br />
Beobachtung wie<br />
nach 3 Tagen, etwas<br />
ausgeprägter<br />
Beobachtung wie<br />
nach 3 Tagen, etwas<br />
ausgeprägter<br />
erste Anzeichen von<br />
blasenartigem Ablösen<br />
der Fasern auf<br />
Rolleninnenseite<br />
keine erkennbare<br />
Schädigung<br />
103
Weitere Erkenntnisse<br />
Um die Beständigkeit der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle zu prüfen, wurde zuerst anhand<br />
der Charge 3 der Generation 2, danach auch an Charge 4 einige Aufrollversuche durchgeführt.<br />
Hierbei wurden Lamellenstücke mit mehreren Metern Länge aufgerollt und in<br />
in einen Klimaschrank gegeben. Die Versuchsparameter und die Beobachtungen sind in<br />
Tabelle 34 zusammengefasst.<br />
Der kritische Bereich beim Aufrollversuch ist die Rolleninnenseite. Hier werden die<br />
oberflächennahen Fasern auf Druck beansprucht und möchten ausknicken, werden aber<br />
von der Matrix zurückgehalten. Bei erhöhten Temperaturen beginnt diese verstärkt zu<br />
kriechen, so dass die stützende Wirkung nachlässt.<br />
Besonders deutlich äusserte sich dieses Verhalten bei der Charge 3 der Generation 2,<br />
welche wegen des hohen Faseranteils einen geringeren Matrixgehalt enthielt und deshalb<br />
schon nach kurzer Lagerzeit im Klimaschrank in sich kollabierte (Bild 47). Durch<br />
die Reduktion des Fasergehalts bei Charge 4 konnte diesem Problem erfolgreich begegnet<br />
werden. Demnach braucht es einen minimalen Matrixgehalt, der auch in Oberflächennähe<br />
die Fasern im Gefüge hält und gegen das Ausknicken sichert. Da die<br />
Käsestruktur schwächer imprägniert ist und dadurch weniger stützende Matrix enthält<br />
scheint es sinnvoll, bei Transporten und Lagerungen darauf zu achten, dass diese<br />
Schicht nicht in der druckbeanspruchten Rolleninnenseite liegt. Dies wird auch durch<br />
die Beobachtungen in Tabelle 34 bestätigt.<br />
Bild 47: Aufrollversuch: ausgeknickte Rolle nach der Lagerung im Klimaschrank<br />
104
4.2 Haftzugversuch<br />
Haftzugversuch<br />
Ein üblicher Versuch zur Prüfung der Verbundgüte von Lamelle und Betonoberfläche<br />
ist der Haftzugversuch. Hierbei wird nach sieben Tagen Aushärtungszeit mit einem<br />
Hohlbohrer (im Allgemeinen mit Durchmesser 30 mm) durch die Lamelle durchgebohrt<br />
und weiter bis ca. 5 mm in den darunterliegenden Beton hinein. Auf die abgetrennte<br />
„Lamelleninsel“ wird ein Stahlzylinder geklebt, der mit einem Zuggerät gefasst werden<br />
kann. Bei zweckmässiger Wahl von Lamelle und Klebstoff findet das Versagen im Betongefüge<br />
statt, es wird also die Haftzugfestigkeit des Betons gemessen.<br />
Der Haftzugversuch wurde anhand der Chargen 3 und 4 der Generation 2 durchgeführt.<br />
Die Resultate sind in Tabelle 35 enthalten.<br />
Lamellenbezeichnung Versuch Nr. Stempeldurchmesser<br />
Generation 2<br />
Charge 3:<br />
„SUPreM CarboDur<br />
T 512 Lot 001“<br />
Generation 2<br />
Charge 4<br />
Tabelle 35: Ergebnisse der Haftzugversuche<br />
Øs<br />
Haftzugfestigkeit<br />
fh<br />
[mm] [MPa]<br />
Bruchbild<br />
1 30 2.4 interlaminar (vgl. Bild 48a))<br />
2 30 2.1 interlaminar (vgl. Bild 48a))<br />
3 30 2.4 interlaminar (vgl. Bild 48a))<br />
1 30 4.3 im Betongefüge (vgl. Bild 48b))<br />
2 30 5.1 im Betongefüge (vgl. Bild 48b))<br />
3 30 4.1 im Betongefüge (vgl. Bild 48b))<br />
Bei der Charge 3 der Generation 2 kam es zu einem interlaminaren Versagen, die<br />
innere Zugfestigkeit der Lamelle war demnach geringer als die des Betons. Das Bruchbild<br />
(Bild 48a)) erinnerte an die bürstenartige Ausfransung, die schon im Lagerbereich<br />
von Träger ET beobachtet wurde (Bild 46). Die Zugfestigkeit der Lamelle in Querrichtung<br />
ist nicht von essenzieller Bedeutung für die Erfüllung der ihr zugewiesenen Verstärkungsaufgabe,<br />
bei geringer interlaminarer Festigkeit kann allerdings die Güte des<br />
Verbunds Lamelle-Beton nicht mit dem Haftzugversuch beurteilt werden.<br />
Wie bereits in Kapitel 4.1 beschrieben, wurde durch die Reduktion des Faseranteils<br />
bei Charge 4 der Matrixgehalt erhöht. Die Wirkung dieser Massnahme konnte mit dem<br />
Haftzugversuch bestätigt werden: das Versagen konnte aus dem interlaminaren Bereich<br />
in den Beton verlagert werden (Bild 48b)), so dass bei Charge 4 der Versuch wieder für<br />
die Prüfung der Verbundgüte beigezogen werden kann.<br />
105
Weitere Erkenntnisse<br />
a) b)<br />
Bild 48: Bruchbild im Haftzugversuch<br />
106
Verdankungen<br />
Die Entwicklung und Prüfung einer kohlenstofffaserverstärkten Lamelle mit <strong>thermoplastische</strong>r<br />
Matrix wurde realisiert von den Projektpartnern EMPA Dübendorf, Sika<br />
(Schweiz) <strong>AG</strong> und Sulzer Markets and Technology <strong>AG</strong>. Die Inangriffnahme des Projekts<br />
wurde von den den Herren Prof. Urs Meier (EMPA), Alexander Bleibler (Sika),<br />
Dr. Bernd Burchhardt (Sika), Ernesto Schümperli (Sika) und Dr. Walter Looser (Sulzer)<br />
gutgeheissen und unterstützt.<br />
Die Lamellenentwicklung und -optimierung wurde bei der Sulzer Markets and<br />
Technology <strong>AG</strong> in Winterthur durchgeführt. Der technische Teil dieser Arbeiten wurde<br />
geleitet von den Herren Dr. Albert Vodermayer und Dr. Jens Kärger.<br />
Mit den an der EMPA Dübendorf durchgeführten Bauteilversuchen wurde die Eignung<br />
der <strong>thermoplastische</strong>n Lamelle für die Verstärkung wirklicher Tragwerke untersucht.<br />
Die Vorbereitung und Durchführung der Versuche erfolgte unter massgeblicher<br />
Beteiligung von Frau Janine Régnault und der Herren Heinz Altorfer, Giuseppe Cuccuru,<br />
Bruno Dürst, Kurt Hermann, Hanspeter Hutter, Bernd Jähne, Heinrich Lippuner,<br />
Dr. FrankStenger,IwanStöcklin,Werner Studer, Walter Trindler und Dr. Andreas<br />
Winistörfer. Die Konzeptionierung und Umsetzung der Messtechnik erfolgte mit Unterstützung<br />
der Herren Peter Anderegg, Dr. Rolf Brönnimann, Enzo Cattarin, Klaus<br />
Hörtner und Roger Vonbank.<br />
Von der Sika (Schweiz) <strong>AG</strong> wurden die Entwicklungs- und Versuchsarbeiten rege<br />
begleitet und unter dem Aspekt der Markttauglichkeit begutachtet. Hierbei wirkten insbesondere<br />
die Herren René Bächli, Miklos Basler, Urs Hüssy und Heinz Meier.<br />
Der Verfasser des vorliegenden Berichts wurde für die Bearbeitung des Projekts von<br />
seinem direkten Vorgesetzten, Prof. Thomas Vogel (Institut für Baustatik und Konstruktion,<br />
IBK, ETH Zürich), für zwei Jahre freigestellt.<br />
Allen Aufgeführten sei für ihre kompetente und entgegenkommende Mitarbeit herzlich<br />
gedankt.<br />
Das Projekt wurde finanziell unterstützt durch die Schweizerische Kommission für<br />
Technik und Innovation (KTI). Für die Bereitstellung der Mittel wird aufrichtig gedankt.<br />
107
Bezeichnungen<br />
Lateinische Grossbuchstaben<br />
A<br />
D<br />
E<br />
G<br />
H<br />
K<br />
M<br />
N<br />
Fläche<br />
Deformetermessstrecke<br />
Elastizitätsmodul<br />
Schubmodul<br />
Bauteilort („hinten“); Feuchtigkeit<br />
Messkanal<br />
Biegemoment; Messort<br />
Messort<br />
Lateinische Kleinbuchstaben<br />
a<br />
b<br />
c<br />
f<br />
h<br />
l<br />
m<br />
n<br />
s<br />
Parameter (Steigung)<br />
Breite<br />
Parameter (Achsenabschnitt)<br />
Festigkeit<br />
Höhe<br />
Länge<br />
Mittelwert<br />
Anzahl<br />
Schlupf; Standardabweichung;<br />
Bügelabstand<br />
Griechische Kleinbuchstaben<br />
δ<br />
ε<br />
ζ<br />
η<br />
ξ<br />
Verhältniszahl<br />
Dehnung<br />
Koordinate (vertikal nach unten, ab<br />
OK Bauteil)<br />
Koordinate (senkrecht zu ξ, ab<br />
Schwerpunkt)<br />
Koordinate (in Bauteillängsrichtung,<br />
ab Schwerpunkt)<br />
Weitere Zeichen<br />
∆ Differenz Ø Durchmesser<br />
Q<br />
S<br />
T<br />
U<br />
V<br />
W<br />
t<br />
v<br />
w<br />
x<br />
y<br />
z<br />
ρ<br />
σ<br />
φ<br />
χ<br />
Kraft<br />
Silverpaintstreifen<br />
Temperatur<br />
elektr. Spannung<br />
Querkraft; Voltmeter; Bauteilort<br />
(„vorne“)<br />
Wegaufnehmer<br />
Zeit; Dicke<br />
Variationskoeffizient<br />
Durchbiegung<br />
Koordinate (in Bauteillängsrichtung,<br />
ab Schwerpunkt)<br />
Koordinate (orthogonal zu x und z,<br />
ab Schwerpunkt)<br />
Koordinate (vertikal nach unten, ab<br />
Schwerpunkt)<br />
geometrischer Gehalt; Dichte<br />
Spannung<br />
Winkel<br />
Krümmung<br />
109
Fusszeiger<br />
A<br />
B<br />
b<br />
ber<br />
c<br />
E<br />
exp<br />
g<br />
f<br />
H<br />
h<br />
i<br />
inf<br />
k<br />
l<br />
M<br />
m<br />
Krafteinleitungsort; Index<br />
Krafteinleitungsort; Index<br />
Bohrkern<br />
berechnet<br />
Beton<br />
bezügl. Elastizitätsmodul<br />
experimentell<br />
Klebstoff; Glasumwandlung<br />
Faser; bezügl. Festigkeit<br />
Bauteilort<br />
Haftzugversuch<br />
induktiver Wegaufnehmer<br />
„unten“<br />
charakteristischer Wert<br />
Lamelle; „links“<br />
Messort<br />
in Bauteilmitte; Mittelwert; mechanische<br />
Messuhr<br />
Kopfzeiger<br />
* Kennzeichnung der Vorversuche<br />
110<br />
max<br />
mess<br />
min<br />
N<br />
nom<br />
Q<br />
r<br />
s<br />
sup<br />
t<br />
tot<br />
u<br />
V<br />
w<br />
y<br />
maximal<br />
gemessen<br />
minimal<br />
Messort<br />
nominell<br />
am Krafteinleitungsort<br />
„rechts“<br />
Stahl; Stempel<br />
„oben“<br />
Zug<br />
total<br />
Versagen<br />
Bauteilort<br />
Würfel<br />
Fliessgrenze
Literatur<br />
[1] Angst+Pfister: Technische Kunststoffe. Fachkatalog, Angst+Pfister <strong>AG</strong>, Zürich<br />
(Schweiz), 1998, 184 pp.<br />
[2] Callister, W. D., Jr.: Materials Science and Engineering, An Introduction, 4th Edition.<br />
John Wiley & Sons, Inc., ISBN 0-471-13459-7, 1997, 852 pp.<br />
[3] Daniel, I. M., Ishai, O.: Engineering Mechanics of Composite Materials. Oxford<br />
University Press, ISBN 0-19-509738-6, 1994, 395 pp.<br />
[4] Deuring, M.: Verstärken von Stahlbeton mit gespannten Faserverbundwerkstoffen.<br />
EMPA Bericht Nr. 224, Dübendorf (Schweiz), 1993, 279 pp.<br />
[5] DIN 53 445: Prüfung von Kunststoffen, Torsionsschwingversuch. DIN Deutsches<br />
Institut für Normung e.V., Berlin (Deutschland), 1965.<br />
[6] DIN EN 2561: Kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe, Unidirektionale Laminate,<br />
Zugprüfung parallel zur Faserrichtung. DIN Deutsches Institut für Normung e.V.,<br />
Berlin (Deutschland), 1995, 12 pp.<br />
[7] Dominighaus, H.: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 5. Auflage. Springer-<br />
Verlag, ISBN 3-540-62659-X, 1998, 1293 pp.<br />
[8] Eckold, G.: Design and Manufacture of Composite Structures. Woodhouse Publishing<br />
Ltd., ISBN 1 85573 051 0, 1994, 397 pp.<br />
[9] EMPA Bericht Nr. 402'017/2: Sika CarboDur Strengthening Systems, Ermüdungs-<br />
und Bruchversuch. Unveröffentlichter Untersuchungsbericht im Auftrag<br />
der Sika (Schweiz) <strong>AG</strong>, 1999, 15 pp.<br />
[10] Frank, A., Biederbeck, K.: Kunststoff-Kompendium, 3. Auflage. Vogel Buchverlag,<br />
ISBN 3-8023-0135-8, 1990, 412 pp.<br />
[11] Flemming, M., Ziegmann, G., Roth, S.: Faserverbundbauweisen. Springer-Verlag,<br />
ISBN 3-540-58645-8, 1995, 309 pp.<br />
[12] Habenicht, G.: Kleben, 3. Auflage. Springer-Verlag, ISBN 3-540-62445-7, 1997,<br />
893 pp.<br />
[13] Hull, D., Clyne, T.W.: An Introduction to Composite Materials, 2nd Edition.<br />
Cambridge University Press, ISBN 0 521 38855 4, 1996, 326 pp.<br />
[14] Kärger, J.C., Vodermayer, A.M.: Ein neuer Werkstoff erobert den Markt. Sonderdruck<br />
aus Sulzer Technical Review 2/99, 1999, 4 pp.<br />
[15] Kaiser, H.P.: Bewehren von Stahlbeton mit kohlenstoffaserverstärkten Epoxidharzen.<br />
Dissertation ETH Nr. 8918, Zürich (Schweiz), 1989, 224 pp.<br />
[16] Ladner, M., Weder, Ch.: Geklebte Bewehrung im Stahlbetonbau. EMPA Bericht<br />
Nr. 206, Dübendorf (Schweiz), 1981, 64 pp.<br />
111
[17] Michaeli, W., Wegener, M.: Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe.<br />
Carl Hanser Verlag, ISBN 3-446-15786-7, 1989, 178 pp.<br />
[18] Meier, U., Deuring, M., Schwegler, G.: Strengthening of Structures with Advanced<br />
Composites. Reprint from Alternative Materials for the Reinforcement and<br />
Prestressing of Concrete, Blackie Academic Professional, ISBN 0 7514 0007 6,<br />
1993, pp. 153-171.<br />
[19] Meier, U.: Grundlagen zum Bemessen von Kunststoffbauteilen. Skript zur ETH-<br />
Vorlesung 39-605, EMPA, Dübendorf (Schweiz), 1995, 63 pp.<br />
[20] SIA Norm 162/1: Betonbauten, Materialprüfung. Ausgabe 1989, Zürich<br />
(Schweiz), 78 pp.<br />
[21] Sika: Technisches Merkblatt zum Verstärkungssystem Sika CarboDur. Sika <strong>AG</strong>,<br />
Zürich (Schweiz), 1999, 8 pp.<br />
[22] Vodermayer, A. M., Kaerger, J.C., Hinrichsen, G.: Manufacture of high performance<br />
fibre-reinforced thermoplastics by aqueous powder impregnation. Composite<br />
Manufacturing Vol 4 No 3, 1993, pp. 123–132.<br />
[23] Winistoerfer, A. U.: Development of non-laminated advanced composite straps<br />
for civil engineering applications. PhD Thesis, University of Warwick (UK),<br />
1999, 170 pp.<br />
112