HighlightsTragwerkeAbb. 5:Vic-2D – Aufnahme einesZugscher-Prüfkörpers:Dargestellt wird dieVerzerrung nach Beginn derZugscherprüfung.Abb. 3:Treibsand in den LençoisMaranhenses, einemNationalpark im NordostenBrasiliens.Simulation des Ermüdungsverhaltensvon AsphaltH.A. Carmona, F. Kun, H.J. Herrmann / IfBAsphalt zeigt ein kurioses Schädigungsverhaltenunter mechanischer Last. Mikrorisse, derenVereinigung normalerweise zum Materialversagenführt, können bei zyklischer Belastungunter Druck wieder vollständig heilen. Letztlichbestimmt die Konkurrenz zwischen denMechanismen der Mikrorissbildung <strong>und</strong> -vereinigung<strong>und</strong> deren Heilen die Gebrauchsdauereiner Asphaltstrasse. Aber was heißt das füreine bestimmte Asphaltmischung? Zur Beantwortungdieser Materialentwurfsfrage musstebislang hauptsächlich auf Experimente zurückgegriffenwerden. Bei theoretischen Modellengab es das Problem, die relevanten Schädigungsmechanismenkorrekt abzubilden.Mitarbeitern der Arbeitsgruppe „RechnergestütztePhysik der Werkstoffe“ des IfB gelanges, die Gültigkeit so genannter Fuse-Modelle<strong>und</strong> Faserbündelmodelle mit Schädigungsakkumulationfür das Ermüdungsbruchverhaltenvon Asphalt zu zeigen. Die Simulationen führtenzu bislang unbekannten Skalierungsgesetzenfür das Ermüdungsverhalten aufgr<strong>und</strong>des Wettbewerbs von Schädigungsakkumulation<strong>und</strong> Mikrorissheilung. Dies konnte auchdurch Diskrete Element Simulationen bestätigtwerden, deren kohäsive Elemente die beobachtetenMechanismen abbilden. Mit diesemAnsatz kann der detaillierte Schädigungsablaufsimuliert werden (vgl. Abb. 1). Die Ergebnissezeigen sehr gute Übereinstimmung mitExperimenten (Abb. 2) <strong>und</strong> die entwickeltenModelle bieten einen offenen Zugang zu Materialdesign<strong>und</strong> -optimierung für eine deutlichgrößere Materialklasse partikelverstärkterPolymere mit Bitumen.Verhalten von TreibsandD. Kadau, H.J. Herrmann, J.S. Andrade Jr. / IfBDas Verhalten <strong>und</strong> die Gefahr durch Treibsandist schon immer kontrovers diskutiert worden.Mitarbeiter der Arbeitsgruppe „RechnergestütztePhysik der Werkstoffe“ haben Treibsandam Rande von austrocknenden Seen untersucht.Cyanobakterien bilden eine impermeableKruste, so dass der Eindruck entsteht, es handlesich um festen Boden. Bricht ein Mensch durchdiese Kruste, sinkt er schnell bis zum Boden desFeldes (Abb. 3).Vor dem Zerstören der Kruste ist die gemesseneScherfestigkeit konstant bis zum Boden, wo sieschlagartig ansteigt. Nach dem Zusammenbrechendes Materials ergibt sich hingegen einlinearer Anstieg.Um zu untermauern, dass Gegenständegeringerer Dichte als Wasser versinken können,wurde die Simulation eines Modellsdurchgeführt, in dem eine lose granulare Strukturden unberührten Boden darstellt (Abb. 4,links). Die Ausgangsstruktur besteht aus kohäsivenKörnern, die durch ballistische Depositionzusammengesetzt werden <strong>und</strong> sich anschließendim Gravitationsfeld unter Verwendungder Kontaktdynamikmethode setzen. Wird nunein Modellgegenstand hinein gedrückt, führtdas zum Aufbrechen kohäsiver Bindungen. DasMaterial bricht über ihm irreversibel zusammen<strong>und</strong> der Eindringling ist in dichtemBodenmaterial „gefangen“ (Abb. 4, rechts). Andersals in Treibsand, der durch einen erhöhtenPorendruck fluidisiert worden ist, existiert beidiesem besonderen Material keine anhebendeKraft oder Auftrieb, die den Gegenstand wiederan die Oberfläche treibt. Hingegen wird einegroße Kraft zum Herausziehen benötigt.Untersuchung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen an1K-PUR KlebstoffenO.Kläusler, S. Clauss, P. Niemz / IfBEinkomponenten-Polyurethanklebstoffe (1K PUR)werden im konstruktiven Holzbau für die Herstellungvon Brettschichtholzbindern verwendet.Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektesmit der Purbond AG (Sempach-Station)<strong>und</strong> der Bayer MaterialScience AG (Leverkusen)wird der Einfluss verschiedener chemischerStrukturparameter auf die Eigenschaften derKlebfuge untersucht. Die Belastungen, denendie Klebfugen ausgesetzt sind, variieren sowohlmit den statischen Eigenschaften der jeweiligenGebäudekonstruktion, als auch mit den dortvorherrschenden Umgebungsbedingungen. DieKlebfugen eines Binders in einer Schwimmhalle(Feuchtebelastung) müssen anderen Anforderungenstandhalten als diejenigen einer Produktionshalle(thermische Belastung) oder einerBrückenkonstruktion (Witterungswechsel). DieFirmen Bayer <strong>und</strong> PURBOND arbeiten seit Jahrenan der Entwicklung von Polyurethan-Klebstoffenfür den Holzbau. Die Schweiz ist heute einesder führenden Länder auf dem Gebiet des PUREinsatzes im Holzleimbau. Im Rahmen eines gemeinsamenForschungsprojektes sollen weiteregr<strong>und</strong>legende Untersuchungen zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Polyurethanen fürdie Holzverklebung durchgeführt werden.Ziel des Forschungsprojektes ist es dabei, dieKomposition der Klebstoffparameter gezielt aufbestimmte <strong>Bau</strong>teilbelastungsarten ausrichtenzu können. Es werden Untersuchungen zur Zugscherfestigkeitder Verklebung im Wechselklima,unter Temperaturbelastung <strong>und</strong> nach Wasserlagerung,zur Dehnungsverteilung <strong>und</strong> zur Alterungdurchgeführt. Zudem werden der Versagensmechanismus,sowie das Eindringverhaltendes Klebstoffes in das Holz betrachtet (Abb. 5, 6).Abb. 1: VirtuellerKompressionstest aneinem DiskreteElemente Modell.Abb. 2: ZyklischerKompressionsversuchan einer Asphaltprobe.Abb. 4: Computermodell des experimentelluntersuchten Treibsands. Ein hineingedrückterGegenstand wird unter der zusammenbrechendenKornstruktur begraben.Abb. 6: REM-Aufnahme (exemplarisch) vonFichtenholz mit PUR-Klebfuge (Mitte senkrecht).20
Abb. 9: Schematische Darstellung der Elektrischisolierten Spannglieder (EIT) <strong>und</strong> des Messprinzips.Abb. 10: Verlauf des elektrischen Widerstands Rverschiedener Spannglieder mit der Zeit.Untersuchungen zum Mechanismusder Schallausbreitung in HolzF. Bächle, S. Schubert, S. Clauss, P. Niemz / IfB;H.R. Maurer / IG; J. Dual / IMES; D. Gsell / EMPADübendorfBäume im Stadtbild bereichern die Lebensqualitätin einem hohen Masse. Die Verkehrssicherheitder Bäume muss aber gegeben sein,da von umfallenden Bäumen oder abbrechendenÄsten ein Gefahrenpotential ausgeht.Mithilfe von Ultraschallmessungen kann ermitteltwerden, ob ein <strong>Bau</strong>m von einem Pilzbefallen ist <strong>und</strong> wie weit sich die Fäule bereitsausgebreitet hat. Die gleiche Methode kannprinzipiell auch für die Messung von Fäule inverbautem Holz oder für die Erkennung vonDelaminierungen in Brettschichtholz verwendetwerden. Die Laufzeit der Schallwellen wirdstark durch die orthotropen Eigenschaften desHolzes beeinflusst. Im Rahmen eines interdisziplinärenProjektes in Zusammenarbeit desInstituts für <strong>Bau</strong>stoffe (Arbeitsgruppe Holzphysik),des Instituts für Geophysik <strong>und</strong> Institutsfür Mechanische Systeme der <strong>ETH</strong> sowieder Abteilung Ingenieurstrukturen der EMPAwurden experimentelle Untersuchungen zurAusbreitung von Schallwellen in Stämmenvorgenommen. Dabei wurden Modelle derGeophysik zur rechnerischen Simulation derWellenausbreitung in Stämmen mit <strong>und</strong> ohneDefekte genutzt. Die Arbeiten brachten einendeutlichen Erkenntnisfortschritt auf demGebiet der Schallausbreitung in Holzproben<strong>und</strong> ermöglichen wesentlich verbesserteModelle für die Erarbeitung von Tomogrammender Schallausbreitung in Holz. Es wurdeeine gute Übereinstimmung zwischen Experiment<strong>und</strong> Modell erzielt. Dabei zeigte sich,dass nur unter Einsatz eines Korrekturfaktorsfür den Einfluss der Jahrringneigung einkorrektes Abbild der Querschnittfläche erzieltwird. Durch diese Methode kann in Tomogrammendie Fäule korrekt erkannt werden. Abbildung7 <strong>und</strong> 8 zeigen dazu Beispiele.In einem zweiten Teil des Projektes wurde dieSchallausbreitung in der radial-tangentialenEbene eines Stammes mittels Finite ElementeMethode dargestellt. Diese numerische Simulationliefert ebenfalls verlässliche Daten überden Querschnitt eines Stammes. Zur numerischenSimulation ist eine Dissertation inBearbeitung.Dauerhafte <strong>und</strong> überwachbareSpanngliederB. Elsener, M. Suter / IfBDie Vorspanntechnik erlaubt es, Bahn- <strong>und</strong>Strassenbrücken mit grossen Spannweiten zuerstellen. Die dafür erforderlichen hochfestenSpannstähle können in Gegenwart von Feuchtigkeit<strong>und</strong> Chloriden korrodieren <strong>und</strong> unterZug versagen. Trotz einer insgesamt bewährten<strong>Bau</strong>weise wurden auch in der SchweizSpannstahlbrüche – zum Glück noch keineEinstürze – beobachtet. Das Hauptproblemder traditionellen Vorspanntechnik mit metallischenHüllrohren liegt darin, dass keineerprobte Methode zur Ortung von Schädenam Spannstahl existiert.Die Industrie hat Vorspannglieder mit Kunststoffhüllrohren<strong>und</strong> elektrisch isolierten Ankerköpfen– sog. Elektrisch isolierte Spannglieder(EIT) - entwickelt.Mittels Impedanzmessungen zwischen demSpannstahl <strong>und</strong> der schlaffen Bewehrung kannzum ersten Mal der Schutz des Spannstahlsvor aggressiven Einwirkungen bestimmt werden(Abb. 9). Basierend auf Labormessungen,Simulationsrechnungen <strong>und</strong> einer zunehmendenAnzahl von mit EIT ausgeführten Brückenkonnten die Grenzwerte für den elektrischenWiderstand bestimmt werden. Diese für dieQualitätssicherung wichtigen Werte werden28 Tage nach dem Injizieren gemessen.Abb. 7: Links: Ohne Korrekturfaktor sind die Schallgeschwindigkeiten am Rand zu tief <strong>und</strong> in der Mitte zuhoch / Mitte: Korrigiertes Tomogramm / Rechts: Untersuchter Stammquerschnitt.Beton <strong>und</strong> die Zementinjektion im Hüllrohr hydratisieren<strong>und</strong> trocknen mit der Zeit aus. Derelektrische Widerstand eines Spanngliedssteigt daher mit der Zeit kontinuierlich miteinem Wurzel Zeit Gesetz an (Abb. 10). DieserTrend kann nun für die Langzeitüberwachungder Spannglieder ausgenützt werden: solangeder Widerstand der Spannglieder ansteigt, istder Korrosionsschutz gewährleistet. Ein Absinkendes elektrischen Widerstands an einemSpannglied ist eine Frühwarnung, welche dasEindringen von Wasser (<strong>und</strong> damit Chloriden)an einem Defekt des Hüllrohrs anzeigt, langebevor Schäden aufgetreten sind.Abb. 8: Links: Ohne Korrekturfaktor ist nur schwach eine Störung ersichtlich / Mitte: Mittels Korrekturfaktortritt die Faulstelle gut hervor / Rechts: Untersuchter Stammabschnitt.21