Untersuchungen zum Tragverhalten hybrider Verbundkonstruktionen aus Polymerbeton, faserverstärkten Kunststoffen und Holz

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1 Untersuchungen zum Tragverhalten hybrider Verbundkonstruktionen aus Polymerbeton, faserverstärkten Kunststoffen und Holz Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) an der Fakultät Bauingenieurwesen der Bauhaus-Universität Weimar vorgelegt von Dipl.-Ing. Kay-Uwe Schober aus Lichtenstein Gutachter: 1. Univ.-Prof. DrAng. Karl Rautenstrauch 2. Univ.-Prof. DrAng. Jürgen Ruth 3. Prof. Dr. sc. techno ETH Maurice Brunner Tag der Disputation: 11. November 2008

2 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG Motivation und Zielstellung Methodik 3 2 HYBRIDE BAUSYSTEME ZUR TRAGWERKSVERSTÄRKUNG Überblick Tragwerksverstärkung mit faserverstärkten Kunststoffen Allgemeines Stand der Forschung Verstärkung biegebeanspruchter Bauteile mit Laminaten Eingeklebte Stäbe aus Faserverbundwerkstoffen Ansätze bei erhöhter Schub- und Querzugbeanspruchung Holz-Beton-Verbunddecken in der Bauwerkssanierung Stand der Forschung Einsatz in der Gebäudesanierung Kunstharzgebundene Betone im Verbund mit Holz 11 3 MATERIALMODELLE UND MATERIALCHARAKTERISTIK Überblick Voll- und Brettschichtholz Mechanische Eigenschaften von Holz Materialverhalten Faserverbundwerkstoffe Werkstoffeigenschaften 19 Kunststofffasern für Parallelfaserverstärkung 20 Verbundmatrix 22 Faser-Matrix-Laminate 23 Kriechen und Relaxation Richtungsabhängigen Kenngrößen am UD-Verbund Überblick wesentlicher Versagenskriterien für unidirektional faserverstärkte Kunststoffe Bruchverhalten von unidirektionalen Parallelfaser-Laminaten Definition von Bruchkriterien Voneinander vollständig unabhängige Bruchkriterien 34

3 ii Unabhängige Kriterien mit teilweiser Interaktion der Spannungen 34 Wirkebene-F estigkeitskriterien 34 Bruchtyp-Festigkeitskriterium Globale Kriterien mit vollständiger Interaktion der Spannungen 45 Überblick 45 Norris, Hill (1950) 45 Tsai, Hill (1950) 45 Hoffmann (1967) 46 Gol'denblat & Kopnov (1966) 46 Tsai & Wu (1971) Bewertung der diskutierten Bruchkriterien Polymergebundene Reaktionsharzbetone Eigenschaften von polymergebundenen Reaktionsharzbetonen Ausgangsstoffe zur Herstellung von Reaktionsharzbetonen 53 Epoxidharz und Härter als Matrix 53 Füllstoff Experimentelle Bestimmung der Baustoffkennwerte von Compono Einfluss der Verarbeitungstemperatur 55 Wärmeausdehnungskoeffizient 56 Elastizitätsmodul 57 Biegezugfestigkeit 58 Druckfestigkeit 59 Zugfestigkeit 60 Vergleich der Festigkeiten mit hochfestem Beton 61 Zusammenfassung und Bewertung 61 4 FASERVERSTÄRKTE KUNSTSTOFFE UND HOLZ IM VERBUND Zielstellung Stand der Forschung Eigenschaften von Klebern für Holz-FVK-Verbindungen Einflussparameter für den Verbund 67

4 Versagensformen der Verbundfuge Überblick Kohäsionsversagen (CF) Adhäsionsversagen (AF) Delaminationsversagen (DF) Gemischtes Versagen (MF) Berechnungsmodelle für Holz und FVK im Verbund Mechanische Modelle für die Verbundfuge Mechanische Modelle für den Verbundquerschnitt Experimentelle Untersuchungen zum Biegetragverhalten Prüfumfang und -durchführung Bruchverhalten und Vergleich der einzelnen Serien Verstärkungseffekt Zusammenfassung und Bewertung 80 5 POLYMERBETON UND HOLZ IM VERBUND Überblick Experimentelle Untersuchungen zum Haftverbund Prüfumfang und Durchführung Ergebnisse der Haftzugversuche Beurteilung der Verbundzone Experimentelle Untersuchungen zum Schubtragverhalten Prüfumfang und -durchführung Auswertung der Scherversuche Experimentelle Untersuchungen zum Biegetragverhalten Numerische Voruntersuchungen Prüfumfang und -durchführung Elastizitätsmodul Bruchverhalten Vergleich der einzelnen Serien Zusammenfassung und Bewertung 98

5 lv 6 NUMERISCHE MODELLIERUNG DES TRAGVERHALTENS Grundlagen der Modellbildung Materialmodellierung von Faserverbundwerkstoffen 101 Interlaminares und intralaminares Versagen 101 Delamination von Faserverbundwerkstoffen 102 Versagensmodellierung kohäsiver Materialien Materialmodellierung von Reaktionsharzbetonen 107 Materialkennwerte 107 Arbeitslinie für Kurzzeitbeanspruchung 108 Berücksichtigung von Langzeitbeanspruchungen Faserverstärkte Kunststoffe und Holz im Verbund Numerische Modellierung Zugversuch 115 Problemstellung 115 Numerisches Modell 116 Vergleich von Berechnungs- und Testergebnissen Numerische Modellierung Biegeversuch 119 Problemstellung 119 Numerisches Modell 119 Vergleich von Berechnungs- und Testergebnissen Reaktionsharzbetone und Holz im Verbund Vorbemerkungen Festlegung der mechanischen Eigenschaften von Holz 122 Druck- und Zugfestigkeit 122 Berücksichtigung der Holzfeuchte l24 Berücksichtigung von Größeneffekten 124 Berücksichtigung des zeitabhängigen Verhaltens Numerische Simulation zum Kurzzeit-Biegetragverhalten 127 Geometrische Diskretisierung 127 Verifizierung des gewählten Modells Numerische Simulation zum Langzeit-Biegetragverhalten 130 Abschätzung der kriecherzeugenden Gesamtlast 130 Simulationsergebnisse 131

6 v 6.4 Hybride Verbundträger aus Holz, CFVK und Polymerbeton Überblick Biegeträger mit kurzer Spannweite Biegeträger mit langer Spannweite PROJEKTBEISPIEL 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK VERZEICHNISSE Eigene Veröffentlichungen Weitere Referenzen Datenblätter Normen und Richtlinien Abbildungsverzeichnis., Tabellenverzeichnis ANHANG AVersagensanalyse von faserverstärkten Kunststoffen B C Faserverstärkte Kunststoffe und Holz im Verbund Polymerbeton und Holz im Verbund I I V VIII