Lamellen aus kohlestofffaserverstärktem Kunststoff als freistehende und umgelenkte Spannglieder im Konstruktiven Ingenieurbau
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) besitzt eine Reihe von ausgezeichneten Eigenschaften mit weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten im konstruktiven Ingenieurbau. Solche Lamellen könnten als freie Spannglieder, z.B. für extern vorgespannte Stahlbetonbrücken oder für unterspannte Decken im Hochbau, Verwendung finden. Die Empfindlichkeit von Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff für Beanspruchungen durch Querpressungen macht jedoch die konstruktive Gestaltung der Umlenkung auf einem Sattel schwierig. Ziel dieser Arbeit war es, erste Erkenntnisse weltweit über das Tragverhalten umgelenkter Lamelle zu gewinnen, um ihre grundsätzliche Eignung als externe Spannglieder zu beurteilen. Hierzu gliederte sich die Arbeit in zwei wesentliche Teile: Teil 1: Statische Versuche an umgelenkter Lamelle: Hier wurde eine Reihe von Zugversuchen an umgelenkten CFK-Lamellen aufder institutseigenen Prüfanlage durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss elementarer Parameter, wie Umlenkradius und Umlenkwinkel, auf die Bruchkraft der Lamelle erfasst. Teil 2: Versuche mit relativer Verschiebung zum Umlenksattel: Mit den in Teil eins gewonnenen Ergebnissen wurden weitere Versuche in Anlehnung an die ETAG 013 durchgeführt, um den Effekt der Reibung während des Vorspann Vorganges oder unter auftretender Relativverformung einer Lamelle zum Umlenksattel und der Einfluss dieser Verformung auf die Bruchkraft der Lamelle zu erfassen. Für die Oberfläche des Sattels werden verschiedene Beschichtungen getestet, z.B. Stahl grundiert, Polyethylen und CFK-Lamelle. Die gewonnenen Ergebnisse aus Teil eins haben gezeigt, dass die Bruchkraft der Lamelle durch die Umlenkung maßgeblich reduziert wird, auch wenn der Radius der Umlenkung im Verhältnis zur Dicke der Lamelle vergleichsweise groß ist. Mit der Verringerung der Reibung im Sattel durch Anwendung von Gleitschichten und Ausführung eines größeren Umlenkradius wurde die Bruchkraft der Lamelle erhöht. Die erzielten Ergebnisse lagen dadurch innerhalb des formulierten Akzeptanzkriteriums nach ETAG 013 (Bruchkraft der umgelenkten Lamelle ≥ 95 % der charakteristische Bruchkraft der geraden Lamelle). Im zweiten Teil konnte die Reibungskraft im Sattel über die Versuche genau ermittelt und ihr Einfluss auf die Bruchkraft untersucht werden. Es war deutlich zu erkennen, dass die Reibungskraft einen wesentlichen Effekt auf die Bruchkraft der Lamelle hat. Die Bruchkraft der umgelenkten Lamelle mit der Anwendung von Stahl grundiert als Kontaktfläche zur Lamelle ist hier deutlich kleiner im Vergleich zum entsprechenden Versuch aus Teil eins ohne Relatiwerschiebung der Lamelle zum Sattel. Mit der Anwendung von Polyethylen als Gleitfolie wurde die Reibungskraft im Sattel bis zu 50% gegenüber den Versuchen mit Anwendung von Stahl grundiert als Kontakttläche reduziert. Gleichzeitig wurde damit die Bruchkraft wieder auf bis zu 95% der Bruchkraft der geraden Lamelle erhöht und erfüllt damit das Akzeptanzkriterium nach ETAG 013. Dieses Ergebnis wurde auch mit der lokalen Anwendung einer zusätzlichen CFK-Lamelle als Gleitfolie erzielt. Die Ergebnisse dieser Forschung, insbesondere in Bezug auf die CFK-Lamelle V914, basieren auf einer immer noch geringen Anzahl von Experimenten. Um eine bessere Basis zur Bewertung und Beurteilung zu erreichen, sind weitere Untersuchungen mit unterschiedlichen Parametern (wie z.B. Umlenkwinkel, Umlenkradius, Reibung im Sattel) notwendig. Mit der vorliegenden Arbeit konnten noch nicht alle Aspekte vollständig abgedeckt werden. Darüber hinaus ergaben sich neue Fragestellungen, die als Aufgaben zukünftiger Arbeiten angesehen werden können. 1. Untersuchung, welche Parameter maßgebenden Einfluss auf die Tragfähigkeit haben, da sich die Ergebnisse durch die verschiedenen Parameter stark beeinflussen lassen. 2. Festlegung praxisnaher Kennwerte für die Anwendbarkeit von umgelenkten CFK- Lamellen durch die in Punkt eins untersuchten Parameter. 3. Vergleich des Verhaltens anderer Typen von CFK-Lamellen (z.B. thermoplastische Lamellen).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Behaviour of Deviated CFRP-Strips. Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE2008) 22-24 July 2008, Zurich, Switzerland
Hwash, M.; Knippers, J.; Saad, F.:
- Umgelenkte Lamellen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff für freistehende Spannglieder im Konstruktiven Ingenieurbau, Beton- und Stahlbetonbau 10/2008, S. 682-688
Knippers, J.; Hwash, M.
- Friction effect on the tensile strength of deviated CFRP-Strips. 13th International Conference on Structural and Geotechnical Engineering, Ain Shams University Faculty of Engineering, Department of Structural Engineering 27-29 Dec. 2009 Cairo - Egyp
Hwash, M.; Knippers, J.; Saad, F.
- Experiments according to ETAG to determine friction effects on deviated CFRP-Strips. Fifth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2010), Sep 27-29. 2010, Beijing, China
Hwash, M.; Knippers, J.
