Die Standsicherheit von jedem Bauwerk oder Bauteil muß durch eine statische Berechnung nachgewiesen werden.

Transkript

1

2 Materialkennwerte und statische Berechnung 2 Inhaltsverzeichnis Seite Einleitung 2 Material-Eigenschaften 4 Statische Berechnung 5 Statischer Nachweis mit Teilsicherheitsbeiwerten 7 Additive 7 Einleitung Die Standsicherheit von jedem Bauwerk oder Bauteil muß durch eine statische Berechnung nachgewiesen werden. Bei den üblichen Baustoffen (Stahl, Beton, Holz etc.) hat man die Materialien in Güteklassen eingeteilt und entsprechende Materialeigenschaften auf der sicheren Seite liegend angegeben. Diese Werte sind in Normen festgelegt. Der Ingenieur darf bei seinen statischen Nachweisen annehmen, daß diese Materialeigenschaften im Bauwerk erreicht werden. Kunststoffe -und speziell glasfaserversstärkte Kunststoffe (GFK)- gelten immer noch als neue Werkstoffe. Die verschiedenen Harze und Verstärkungen ermöglichen für fast jeden Anwendungsfall speziell darauf ausgerichtete Kunststoffe. Das erschwert natürlich eine Normung. Für pultrudierte, glasfaserverstärkte Profile hat man im Jahr 2003 in der Norm DIN EN Teil 1 bis 3 2 Sorten klassifiziert und mit Mindesteigenschaften versehen. Unabhängig von der Querschnittsform des Profils gelten dann diese Materialeigenschaften. Der Ingenieur kann dann -wie bei den üblichen Werkstoffen- über die Elastizitätstheorie seine Profile dimensionieren oder für die gewählten Profile seine statischen Nachweise führen. Dabei sind natürlich die kunststoffspezifischen Eigenschaften zu berücksichtigen. Der Produzent der pultrudierten Profile hat in einem Eignungsnachweis zu zeigen, daß er in der Lage ist, die Anforderungen der Kunststoff-Norm zu erfüllen. In dem Eignungsnachweis muß sein Kunststoff-Material bessere Ergebnisse liefern als die Norm fordert. Dann ist die Norm-Vorgabe erfüllt. Er darf sein Material in die bestimmte Sorte einordnen. Zur Güte-Überwachung der gelieferten Profile sollte der Bauherr Proben aus den Profilen entnehmen und an diesen Proben charakteristische Festigkeitseigenschaften überprüfen lassen. Dann kann er annehmen, daß das verwendete Material die in der statischen Berechnung angesetzten Eigenschaften besitzt.

3 Materialkennwerte und statische Berechnung 3 Die EN DIN ist nicht bauaufsichtlich in den Deutschen Bundesländern eingeführt. Bei dem Einsatz dieser pultrudierten GFK-Profile in einem Bauwerk ist somit immer eine Bauaufsichtliche Zustimmung im Einzelfall durch die Baubehörde des Bundeslandes erforderlich. Grundlage einer solchen Zustimmung ist stets eine statische Berechnung des Bauwerks oder Bauteils, die auf der Basis von einzuhaltenden Materialkennwerten erstellt wurde. Die Erfüllung der Norm-Werte der DIN ist somit ein wichtiger Baustein zur Erlangung einer Zustimmung im Einzelfall für ein bestimmtes Einzelprojekt. Ebenso kann durch die Erfüllung der Norm in Verbindung mit einer statischen Berechnung eine Allgemein gültige Zulassung durch das DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik in Berlin) für ein exakt bestimmtes Bauteil oder Bauwerk, das in absolut gleicher Art oftmals hergestellt werden soll, beantragt und erteilt werden. Der Untersuchungsbericht des TÜV-Süd (Auftrags-Nr ) zeigt, daß die pultrudierten Profile der EMS FVK-Profile GmbH die Güte-Eigenschaften der EN DIN 13706, Sorte E23 erfüllen. Auf den folgenden Seiten sollen die wichtigsten Daten zusammengestellt werden, die bei einer statischen Berechnung von pultrudierten Profilen der EMS FVK-Profile GmbH zu berücksichtigen sind.

4 Materialkennwerte und statische Berechnung 4 Material-Eigenschaften Die in der EN DIN 13706, Teil 3 in der Tabelle 1 angegebenen Mindestanforderungen für pultrudierte GFK-Profile dürfen in einer statischen Berechnung Verwendung finden. Die Einhaltung dieser Mindestwerte für die Sorte E23 bei den EMS-FVK-Profilen ist nach dem Untersuchungsbericht des TÜV-Süd (Auftrags-Nr ) erfüllt. Tabelle 1: Zur Überwachung der Produktion sollten die Werte der axialen Zug- oder Biegefestigkeit herangezogen werden, da diese Festigkeitswerte meistens für die Tragfähigkeit des Bauteils maßgebend sind.

5 Materialkennwerte und statische Berechnung 5 Statische Berechnung Die statische Berechnung erfolgt auf der Basis der Elastizitätstheorie. Der Beratende Ingenieur, der die statische Berechnung erstellt, sollte fundierte Kenntnisse auf dem Gebiet der Kunststoffe besitzen. Es sollen hier die wichtigsten Unterlagen für eine statische Berechnung dieser pultrudierten GFK-Profile zusammen gestellt werden. Die Bauteile sollten eine Sicherheit S =2,0 gegen Bruch und Instabilität besitzen. Die Material-Eigenschaften der Kunststoffe verändern sich durch die Nutzung beim Betrieb. Die Änderung wird durch Abminderungsbeiwerte A N berücksichtigt. Dabei mindert der Faktor A NB die Festigkeit des Materials und der Faktor A NI den E-Modul zum Kriechmodul ab: Einfluß der Belastungsdauer A 1 Axialrichtung Transversalrichtung T A 1B T A 1I In () kann man die Belastungszeit hinzufügen. In Anlehnung an DIN Teil 2 ergeben sich die Werte der Tabellen 2a, 2b, 2c. Tabelle 2a: Belastungszeit= dauernd (z.b. Dauerlast, wie Eigengewicht) A 1B A A 1I A Festigkeit Kriechen axial A 1B A =1,40 A 1I A =1,40 transversal A 1B T =2,40 A 1I T =2,40 Tabelle 2b: Belastungszeit= 3 Monate (z.b. Schnee) Festigkeit Kriechen axial A 1B A =1,20 A 1I A =1,20 transversal A 1B T =1,70 A 1I T =1,70 Tabelle 2c: Belastungszeit= kurzzeitig (z.b. Montage) Festigkeit Kriechen axial A 1B A =1,00 A 1I A =1,00 transversal A 1B T =1,00 A 1I T =1,00 Einfluß des Mediums A 2 Die A 2 -Werte sind den Medienlisten 40 des DIBt zu entnehmen. Es ist mindestens mit A 2B = A 2I =1,20 zu rechnen (Umweltbelastung).

6 Materialkennwerte und statische Berechnung 6 Einfluß der Temperatur A 3 Die Wärmebeständigkeit des Harzes bestimmt den Abminderungsfaktor A 3 = A 3B =A 3I Dabei gilt HDT Wärmeverformungstemperatur C (Heat Distorsion Temperature C) Auslegungstemperatur C Es muß HDT- 20 erfüllt sein. =1,0+0, Normalerweise verwendet EMS-FVK-Profile GmbH das Isophthalsäureharz H1. Die Wärmeverformungstemperatur dieses Harzes beträgt HDT=80 C. Damit ergeben sich die Abminderungsbeiwerte A 3 in Abhängigkeit der Temperatur nach Tabelle 3a. Tabelle 3a: Abminderungsbeiwerte A 3 Temperatur [ C] >80 A 3 1,00 1,20 1,40 *** *** Temperaturen über 60 C sind nicht zulässig. Wenn ein Vinylesterharz verwendet wird, ergeben sich geringere Abminderungswerte. Mit HDT=100 C ergibt sich Tabelle 3b: Tabelle 3b: Abminderungsbeiwerte A 3 Temperatur [ C] >80 A 3 1,00 1,15 1,25 1,40 *** Temperaturen über 80 C sind nicht zulässig. Gesamte Abminderungsbeiwerte Auf der sicheren Seite liegend werden die Abminderungsbeiwerte multiplikativ verbunden: = für Festigkeitsnachweise = für Verformungsnachweise = für Stabilitätsnachweise Mindestwerte A S Für langzeitige Lasten gelten zusätzlich die Forderungen: A 1B A 2B A 3B S 4,0 (für Festigkeitsnachweise) A 2I A 3I S 2,7 (für Stabilitätsnachweise)

7 Materialkennwerte und statische Berechnung 7 Statischer Nachweis mit Teilsicherheitsbeiwerten Diese Angaben kann man natürlich leicht auf das Konzept der Teilsicherheitsfaktoren verändern, ohne den Sicherheitszustand des Bauwerks zu gefährden: Auf der Seite der Einwirkungen gelten die üblichen Werte des Bauwesens nach DIN , Tabelle A.3. Dieser Teilsicherheitsbeiwert liegt zwischen ψ E =1,00 für ungünstigste, seltene Situationen und ψ E =1,50 für dauerhafte, übliche Situationen. Natürlich dürfen auch die Kombinationsbeiwerte berücksichtigt werden. Die Beanspruchbarkeit der Widerstandsgrößen ergibt sich in Anlehnung an den Stahlbau (DIN 18820, Teil 1). Da der glasfaserverstärkte Kunststoff jedoch nicht so zähe ist wie der Stahl und keine ausgeprägte Fließgrenze besitzt, wird hier noch zusätzlich zum Teilsicherheitsbeiwert ψ M = 1,10 ein Materialfaktor ψ Z =1,20 eingeführt. Für die Bemessungswerte M d der Widerstandsgrößen sind somit die characteristischen Widerstandsgrößen M k durch das Produkt der Teilsicherbeiwerte (ψ M ψ Z ) zu dividieren: M d = M k /(ψ M ψ Z ) = M k /(ψ M 1,20). M d = M k /(ψ M ψ Z ) = M k /(1,32). Multipliziert man den üblichen Teilsicherheitsbeiwert der Einwirkungen ψ E mit den Beiwerten der Widerstandsgrößen (ψ M 1,20), so ergibt sich wieder die Sicherheit des Bauwerks wie zuvor: ψ E (ψ M 1,35) = 1,50 (1,10 1,20) = 1,98 S = 2,00. Die Abminderungsfaktoren beeinflussen natürlich nur die Widerstandsgrößen.. Additive Wenn besondere Eigenschaften des pultrudierten Profils erreicht werden sollen, so kann man diese durch die Zugabe von bestimmten Beigaben erzielen. Diese Beimengungen senken natürlich den Glasgehalt und damit die mechanischen Kennwerte. In der statischen Berechnung wird ein weiterer Abminderungsfaktor A 4 zur Erfassung dieses Einflusses eingeführt. So ist es möglich, durch die Beigabe von Aluminiumhydroxid die GFK-Profile brandhemmend zu fertigen. Brandhemmende Profile: Die Material--Untersuchungen des TÜV-Süd zeigten eine geringe Verschlechterung der Materialkennwerte gegenüber den Proben ohne brandhemmende Additive. Die Absenkung der gemessenen Material-Kennwerte lag unter 20%. Somit reicht ein Abminderungsfaktor A 4 =A 4B =A 4 I = 1,25 aus, um diesen Einfluß zu erfassen. Walldorf, den Dr. Niemann Consult Ingenieurges.mbH