Experimentelle und theoretische Charakterisierung der Reibermüdung von CFK-Spannlitzen und ihres Einflusses auf die Ermüdungslebensdauer von vorgespannten Trägern ohne Verbund

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mike Schlaich
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502389426

Aufgrund seines hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht entwickelten sich die Zugelemente aus Carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) als möglicher Ersatz für Stahl in verschiedenen Anwendungsbereichen. Die gebräuchlichste Anwendung ist die Verwendung der CFK-Litzen als Spannglied in Betonbrücken. Die bekannteste und effizienteste Variante aus den verschiedenen Arten der Vorspannung ist das Vorspannen ohne Verbund. Die Popularität und Effizienz dieser Variante unterliegt der gegebenen Gestaltungsflexibilität, der schnellen Konstruktionsfähigkeit, der besseren Ausnutzung der Tragfähigkeit aller Bewehrungselemente, der höheren Durchbiegung etc. Während der Betriebszeit solcher Brücken erfahren diese durch die Verkehrslasten eine hohe Zahl an Lastzyklen. Deswegen ist das entscheidende Bemessungskriterium die Ermüdung des Vorspannelements. Die Ermüdungslebensdauer solcher Vorspannelemente wird erheblich verringert, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Vorspannelement und dem Umlenkelement (Hüllrohr), das eine Normalkraft ausübt, auftritt. Dieses Phänomen wird allgemein als Reibermüdung verstanden und ist ein maßgebliches Problem in einem vorgespannten Träger ohne Verbund (PPTGUT). Wenn sich der Ort der Relativbewegung mit dem Ort der starken Krümmung vom Spannglied und den Biegerissen überschneidet, kann der Effekt an diesem Ort von bedeutendem Nachteil sein. CFK wurde auf dieses Phänomen der Reibermüdung untersucht. Das beantragte Projekt zielt daraus ab, das mikroskopische Phänomen der Reibermüdung in CFK-Spannlitzen theoretisch und experimentell zu untersuchen und seinen makroskopischen Effekt auf die Lebensdauer von CFK-PPTGUT zu bewerten.Seit mehr als einem Jahrzehnt wird am Lehrstuhl Entwerfen und Konstruieren-Massivbau der TU Berlin zur Reibermüdung von Stahllitzen und der Anwendung des CFKs als Zugelemente geforscht. Basierend auf dieser Forschung soll nun die Reibermüdungseigenschaften einzelner CFK-Litzen durch einen sog. „In-Air“ Ermüdungstest mit seitlicher Umlenkkraft sowie einen Ermüdungstest auf einem Umlenksattel untersucht werden. Im nächsten Schritt wird die Reibermüdung untersucht, in dem ein CFK-PPTGUT im reduzierten Maßstab in Balkenform experimentell getestet wird. Mithilfe experimenteller Ergebnisse werden numerische Finite- Elemente-Modelle (FE-Modelle) erstellt, um die Lebensdauer eines 20 m langen CFK-PPTGUT (bestehender Demonstrator aus C3-V4.2 Vorhaben im Labor des Lehrstuhls) vorherzusagen. Außerdem werden einige vereinfachte Analysemodelle dafür auch entwickelt. Nach der theoretischen Vorhersage der Ermüdungslebensdauer des Demonstrators wird dieser getestet, bis die Ermüdung eintritt oder 2,5 Millionen Zyklen erreicht werden. Danach werden die Ergebnisse aller Versuche ausgewertet, um Ingenieurmodelle als Grundlage für eine Bemessung von CFK-PPTGUT zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen