Einfluss des Betriebs auf das Systemverhalten von mit Epoxidharzkleber applizierter Bewehrung in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsvorhaben untersuchte die Auswirkungen von Betriebssituationen, z.B. von Temperaturen größer gleich einer normalen Innenraumtemperatur oder ständig vorhandenen Einwirkungen auf das Tragverhalten von geklebter Bewehrung. Geklebte Zugbewehrungen sind entweder Stahllaschen oder Lamellen aus Kohlenstofffasern CFK, die unter Verwendung von Epoxidharzklebstoffen an bestehende Bauwerke appliziert werden. Für die sichere Funktion des verstärkten Bauteils ist die Lastübertragung, der so genannte Verbund zwischen Betonbauteil und der geklebten Bewehrung, von zentraler Bedeutung. Gegenüber dem Stand des Wissens zum Zeitpunkt der Antragstellung konnte das Forschungsvorhaben erstmals umfassend die Auswirkungen der Betriebssituationen, der ein verstärktes Bauwerk ausgesetzt ist, auf den Klebeverbund klären. Neben dem Einfluss auf das Tragverhalten im Grenzzustand der Tragfähigkeit, der maximalen Tragfähigkeit im Bruch, behandelte das Vorhaben vor allem das Verbundverhalten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, d.h. der Auswirkungen im normalen Betrieb zu erwartender Situationen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens, die wesentlich über den Stand des Wissens bzw. der Technik zum Zeitpunkt der Antragstellung hinausgehen, sind den folgenden Themenkomplexen zuzuordnen: • Experimentelle Quantifizierung des Einflusses der Betriebsbedingungen auf die Festigkeit und das Verformungsverhalten der Epoxidharzklebstoffen an sich; dies war notwendig, da die Epoxidharzklebstoffe die größten Langzeiteffekte, wie z.B. Festigkeitsverlust oder Verformungszunahme, besitzen und vermutet wurde, dass sie das Gesamtverhalten bestimmen • Experimentelle Quantifizierung des Einflusses der Betriebsbedingungen auf das Verbundverhalten von Klebebewehrung im Massivbau am Beispiel von in Schlitze eingeklebten CFK-Lamellen; in diesem Schritt wurde das Verbundverhalten untersucht • Schaffung und Verifikation zugehöriger Material- und Verbundmodelle zur rechnerischen Erfassung des Kurz- und Langzeittrag- und Verformungsverhaltens von Epoxidharzklebstoffen und geklebter Bewehrung; dies war notwendig, um die Effekte berechnen, vorhersagen und auf Situationen mit anderen Randbedingungen übertragen zu können • Ableitung einer vereinfachten Formulierung zur Abbildung des Einflusses der Betriebsbedingungen auf das Verbundverhalten; Herleitung eines einfacheren Berechnungsverfahrens für die praktische Umsetzung, das die wesentlichen Faktoren erfasst. Mit den im Forschungsvorhaben entwickelten, experimentell abgesicherten Material- und Rechenmodellen gelingt erstmalig die Quantifizierung und Abbildung des Einflusses der Betriebsbedingungen, im vorliegenden Fall der Expositionstemperatur, der Aushärtedauer bis zum Belastungsbeginn und der Größe der dauerhaften Einwirkung, auf das Verbundverhalten von Klebebewehrung für Betonbauteile. Das vorliegende Forschungsvorhaben untersucht das Verbundverhalten am Beispiel des Systems der in Schlitze eingeklebten CFK-Lamellen. Die prinzipiellen Modellierungen des Kurz- und Langzeitverbundverhaltens können jedoch - entsprechende, versuchsseitig bestätigte Verbundmodelle vorausgesetzt - auch auf andere Arten von Klebebewehrung, z.B. mechanisch verankerte, oberflächig verklebte CFK-Lamellen, angewendet werden. Die im Vorhaben verifizierte Hypothese, dass das Verhalten des verwendeten Klebstoffes in Kombination mit den Betriebsbedingungen das Verbundverhalten dominieren kann, erzeugt für die Zukunft die Notwendigkeit einer umfassenden Identifikation aller derartigen Betriebszustände einschließlich der Quantifizierung deren Einflüsse auf das Verbundverhalten von geklebter Bewehrung. Auf Seiten des Klebstoffes sind hierbei vornehmlich die Auswirkungen niedriger Aushärtetemperaturen und / oder hoher Feuchtegehalte im Klebstoff zu untersuchen. Die technisch mögliche und wirtschaftlich sinnvolle Erweiterung des Einsatzbereiches geklebter Bewehrung auf die sich aus dem Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ergebenen Anforderungen kann nur gelingen, wenn die existierenden Rechenmodelle für Betonbauteile experimentell abgesichert um Klebebewehrung erweitert werden. Die Bedeutung des ausgeprägten Verbundkriechens der geklebten Bewehrung ist anhand gemischt bewehrter Stahlbetonbauteile zu untersuchen und für die Bemessung aufzuarbeiten. Ein dritter zukünftiger Forschungskomplex besteht in der Erforschung geringer durch die Härte- und Betriebsbedingungen beeinflusster Klebstoffe. Dies könnten Klebemittel auf mineralischer Basis oder auch durch gezielte Verbesserung der Härtungsbedingungen kontrolliert vernetzte, herkömmliche Epoxidharzklebstoffe sein. Die dargestellten sich unmittelbar aus dem abgeschlossenen Forschungsvorhaben ergebenden Fragestellungen sind aus Sicht des Antragstellers wissenschaftlich fundiert nur in Kooperation zwischen in der Kunststofftechnik bzw. im Massivbau erfahrenen Partnern zu bewältigen. Ein entsprechender Forschungsantrag ist vom Antragsteller und einem Partner bereits bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft gestellt worden. Die Erkenntnisse und Modelle des Forschungsvorhabens werden in Zukunft sowohl in Wissenschaft und Forschung als auch in die Praxis einfließen können. Das Forschungsvorhaben bildet den Ausgangspunkt für das vom Antragsteller bei der DFG beantragte Vorhaben zur Klärung des Einflusses der Aushärtebedingungen auf das Tragverhalten verstärkter Bauteile. Das aktuelle Projekt stellt die Basis für den experimentellen Teil und die theoretische Aufarbeitung dar. Die Modelle zur Abbildung der durch den Betrieb bedingten Tragfähigkeitsverluste und Verformungszunahmen des Klebeverbundes sind auch anwendbar auf Einwirkungen, die die selbe Wirkung auf das Verbundverhalten besitzen, z.B. nicht ruhende Belastungen. Die im Verlauf des Vorhabens entstandene Kooperation mit dem Lehrstuhl Kunststofftechnik der Universität Erlangen eröffnet die Möglichkeit einer direkten Verwertung der Ergebnisse auch außerhalb des Bauwesens. Hinsichtlich der Praxis kann mit dem Vorhaben die heute übliche Bemessungspraxis auf eventuelle vorhandene Unsicherheiten oder auf wirtschaftlichere Regelungen hin überprüft werden. Auch für die Industrie erforderliche Versuchprogramme können in Zukunft im Hinblick auf die Betriebsbedingungen wissenschaftlich fundiert gestaltet und optimiert werden. Zusammen mit dem sich in der Beantragungsphase befindenden Forschungsvorhaben bildet das vorliegende Vorhaben die Basis für eine Erweiterung des Anwendungsbereiches von geklebter Bewehrung auf die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Borchert, K.; Zilch, K., Knöfel, R.: Epoxy resin bonded NSM FRP reinforcement under environmental and load conditions. Proceedings structures 2007, ASCE, Long Beach, 2007
- Borchert, K.; Zilch, K.: A general bond stress - slip relationship for NSM FRP-strips. Proceedings of the 8th International Symposium on FRP Reinforcement for Concrete Structures, Patras, 2007
- Borchert, K.; Zilch, K.: Durability, strength and creep of epoxy resins for bonding FRP to concrete under environmental and load conditions. Proceedings 3rd International Congress on Durability of Fibre Reinforced Polymer Composites for Construction, CDCC 2007, Quebec, 2007
- Borchert, K.; Zilch, K.: Verbundverhalten von Klebebewehrung unter Betriebsbedingungen; Bauingenieur, 12-2007, S. 523-530
- Dissertation: "Verbundverhalten von Klebebewehrung unter Betriebsbedingungen" von Kurt Borchert, Lehrstuhl für Massivbau, Technische Universität München, eingereicht 2007
