Verstärkung von Stahlkonstruktionen durch aufgeklebte CFK-Lamellen

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1 Verstärkung von Stahlkonstruktionen durch aufgeklebte CFK-Lamellen Hartmut Pasternak 1 und Susanne Bartholomé 1, Thomas Ummenhofer 2 und Frank Götz 2, Markus Feldmann 3 und Achim Geßler 3 1 Lehrstuhl Stahl- und Holzbau, BTU, Cottbus hartmut.pasternak@b-tu.de und susanne.bartholome@b-tu.de 2 Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, KIT Stahl- und Leichtbau, Karlsruhe thomas.ummenhofer@kit.edu und frank.goetz@kit.edu 3 Institut für Stahlbau und Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau, RWTH Aachen, Aachen feldmann@stb.rwth-aachen.de und ag@stb.rwth-aachen.de ZUSAMMENFASSUNG Im Rahmen des AiF-Forschungsprojekts Verstärkung von Stahlkonstruktionen mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen - STAKOK wurden unter anderem Zugversuche, Versuche mit Zugschwellbeanspruchung und Biegeversuche an mit CFK-Lamellen verstärkten Stahlbauteilen durchgeführt. Anhand der Zug- und Biegeversuche konnte das Potential der CFK-Verstärkung aufgezeigt werden und eine Aussage zur Traglaststeigerung der Bauteile getroffen werden. Bei Anwendung des geeigneten Klebstoffes konnte zudem die Tragfähigkeit der CFK-Lamelle vollständig ausgenutzt werden. Die Versuche unter Zugschwellbeanspruchung ermöglichen eine Aussage zur Lebensdauer der Verstärkungsmaßnahme. 1 Einleitung Während der Nutzung unterliegen Stahlkonstruktionen des Bauwesens oft unterschiedlichen, sich ändernden Anforderungen. Es mangelt dann bei Bestandbauwerken vorwiegend an ausreichender Tragfähigkeit oder die Gebrauchstauglichkeit ist nicht mehr gewährleistet. Die Verstärkung der Konstruktionen durch den Ausbau einzelner Teile, den Ersatz durch tragfähigere Bauteile oder Verstärkung einzelner Bauteile, durch z.b. das Anschweißen oder Anschrauben von zusätzlichen Stahllaschen könnte durch eine alternative Verstärkungsmethode erweitert werden: Aufkleben von schlaffen bzw. vorgespannten CFK-Lamellen. Im Vergleich zu den üblichen Verstärkungsmaßnahmen wird erwartet, dass die Vorteile im Hinblick auf das Ermüdungsverhalten (verringerte Kerbwirkung), die Fertigung (bessere Handhabbarkeit), das geringere Gewicht (Einsatz im Kran- und Maschinenbau) und die Korrosions- und Feuchtebeständigkeit zum Tragen kommen. Um diese Verstärkungsmethode beurteilen zu können, wurden im Rahmen des AiF-Forschungsprojektes Verstärkung von Stahlkonstruktionen mit CFK-Lamellen Versuche an Klebstoffen [2] sowie an mit CFK-Lamellen verstärkten Klein- und Großbauteilen durchgeführt. Die aus den Bauteilversuchen gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden erläutert. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden zwei bereits bauaufsichtlich zugelassene Verstärkungssysteme (System 1: CFK-Lamelle 1 und Klebstoff A; System 2: CFK-Lamelle 2 und Klebstoff B) sowie ein dritter und vierter Klebstoff (Klebstoff C und D) untersucht. Außerdem kamen normalfeste und hochfeste Stähle zum Einsatz. Die Klebstoffe A und B weisen ein ausgeprägt linear elastisches Werkstoffverhalten auf, während die Klebstoffe C und D ein ausgeprägt nichtlineares Verhalten aufweisen. In Tabelle 1 sind die Werkstoffkenndaten der verwendeten Materialien aufgeführt. 1

2 Tabelle 1: Werkstoffkennwerte der verwendeten Stähle, CFK-Lamellen und Klebstoffe Probekörper Zugversuch Versuch mit Zugschwellbeanspruchung CFK-Lamelle 1 CFK-Lamelle 2 Werkstoff Streckgrenze / 0,2%- Zugfestigkeit Bruchdehnung Dehngrenze [MPa] [MPa] [%] S S S UD-Prepeg 160/2400 UD-Prepeg 200/2000 E-Modul [MPa] Zugfestigkeit [MPa] , ,30 Probekörper Werkstoff E-Modul [MPa] Schubmodul [MPa] Klebstoff A 2-K-Epoxid ,69 Klebstoff B 2-K-Epoxid ,54 Klebstoff C 2-K-Epoxid ,00 Klebstoff D 2-K-Epoxid ,00 2 Zugversuche an verstärkten Stahlbauteilen Bruchdehnung [%] Bruchdehnung [%] Zur Beurteilung der Tragfähigkeit von verstärkten Stahlbauteilen mit aufgeklebten CFK-Lamellen wurden einerseits Zugversuche bis zum Versagen der Klebverbindung und andererseits Ermüdungsversuche mit einer Zugschwellbelastung mit konstanter Amplitude bis zum Eintreten einer Schädigung der Klebverbindung durchgeführt. Hierfür wurden die in Abbildung 1 dargestellten Probekörper verwendet. Abbildung 1: Geometrie Probekörper: Zugversuch (links), Versuch mit Zugschwellbeanspruchung (rechts) 2.1 Quasi-statische Zugversuche Vor Versuchsbeginn wurden die verklebten Probekörper für mindestens 14 Tage bei Normalklima (20 C / 65 % rel. Luftfeuchtigkeit) gelagert. Die Versuche wurden anschließend weggesteuert mit einer Versuchsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min durchgeführt. Im Fall normalfester Stahlbauteile (S355) stieg die Beanspruchung in der CFK-Lamelle überproportional an, sobald die Streckgrenze im verjüngten Querschnitt des Stahls erreicht wurde. Die Klebverbindung versagte schlagartig mit einem Abspringen der CFK-Lamelle, als auch der Schulterquerschnitt zu fließen begann. Bis dahin betrug die maximale Dehnung in der CFK-Lamelle ca. 0,50 %. Folglich kann festgehalten werden, dass für das Versagen der 2

3 Verstärkung bei den normalfesten Stahlbauteilen das einsetzende Fließen des Schulterquerschnitts und die damit einhergehende Differenzdehnung maßgebend war. Bei hochfesten Stählen (S1100) wurde das gleiche Versagensbild der Verstärkung festgestellt, jedoch wurde die CFK-Lamelle in einem geringeren Maße aktiviert, da es nicht zum Fließen des verjüngten Stahlquerschnitts kam. Die gemessene maximale Dehnung in der CFK-Lamelle betrug 0,27 % im Fall der Lamelle 1 und 0,42 % für Lamelle 2. Die Dehnung des Stahls im Schulterquerschnitt beim Versagen der Verstärkung betrug ca. 0,37 % für System 1 und ca. 0,24 % für System 2. Das bedeutet, dass die Stahldehnung noch im elastischen Werkstoffbereich war. Tabelle 2: Ergebnisauszug der Zugversuche Verstärkung / Versuchsnr. Unverstärkt / Referenz Stahl Max. Kraft F max,el [kn] S Sys. 1 / Z1 S ,49 Sys. 2 / Z1 S ,54 Sys. 1 / Z2 S ,46 Sys. 2 / Z2 S ,28 Max. Dehnung der CFK-Lamelle [%] - Versagensart Plastizieren des Querschnitts mit Bruch Abspringen der CFK-Lamelle 2.2 Versuche mit Zugschwellbelastung Vor Versuchsbeginn wurden die verklebten Probekörper für mindestens 14 Tage bei Normalklima (20 C / 65 % rel. Luftfeuchtigkeit) gelagert. Die Versuche wurden anschließend kraftgesteuert mit einer Beanspruchungsfrequenz von ca. 10 Hz durchgeführt. Die Schädigung der Klebverbindung beginnt an den Stellen der maximalen Spannungen in der Klebschicht und folglich an den CFK-Lamellenenden. Um diese Schädigung festzustellen, wurden auf der Oberseite der CFK-Lamellen in regelmäßigen Abständen Dehnmessstreifen (DMS) appliziert (siehe Abbildung 2, rechts). Ein Abfall der zur Oberlast gehörenden Dehnung über die Anzahl der Lastspiele zeigt eine Schädigung der Klebverbindung an. Eine Auswertung des Dehnungsabfalls ermöglicht eine Beurteilung des Schädigungsfortschritts der Klebverbindung in Abhängigkeit der Lastwechselzahl. Abbildung 2: Versuchsstand Zugschwellbelastung (links), Anordnung DMS (rechts) Als dauerfeste Probekörper wurden diejenigen definiert, deren DMS im Abstand von 30 mm zum CFK-Lamellenende einen Abfall von lediglich 10 % der Dehnung bei Oberlast nach fünf Millionen Lastwechsel aufwiesen. Die Auswertung von insgesamt 15 Versuchen an 8 Probekörpern mit dem System 1 und 12 Versuchen an 7 Probekörpern mit dem System 2 ergab die in Tabelle 3 dargestellten dauerfest klassifizierten Versuche. Diese sind abhängig von den mittleren Spannungen im Stahlbauteil ohne CFK-Verstärkung und alternativ in Abhängigkeit der maximalen Schubspannungen in der Klebverbindung dargestellt. Die Schubspannungen wurden hierbei mit einer FEM-Berechnung in Klebstoffmittellinie bestimmt. 3

4 Tabelle 3: Dauerfeste Probekörper und ihre Zugschwellbeanspruchung Verstärkung / Versuchsnr. Spannungsverhältnis Spannungen im Stahlbauteil ohne CFK [MPa] Spannungen in der Klebung FEM [MPa] R σ σ o σ m τ τ o τ m Sys 1 / ZS 1 0, ,6 7,3 4,0 Sys 1 / ZS 2 0, ,9 6,6 3,6 Sys 1 / ZS 3 0, ,9 9,8 6,9 Sys 1 / ZS 4 0, ,9 9,8 6,9 Sys 1 / ZS 5 0, ,9 9,8 6,9 Sys 2 / ZS 1 0, ,1 6,8 3,7 Sys 2 / ZS 2 0, ,8 7,6 4,2 Sys 2 / ZS 3 0, ,9 6,5 4,5 Es zeigt sich unter anderem, dass das System 1 eine deutlich höhere Dauerfestigkeit als System 2 aufweist. Weiterhin liegen drei Versuchsergebnisse mit System 1 vor, welche bei einem Spannungsverhältnis von 0,4 eine Spannungsschwingbreite von τ = 5,9 N/mm² über fünf Millionen Lastwechsel hinweg ertragen hat. Zum Vergleich: Die nach DIN EN bestimmte maximale Scherfestigkeit des Klebstoffs A (System 1) beträgt ca. 30 N/mm². An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auf Grund der einseitigen Lamellenanordnung zusätzlich Normalspannungen orthogonal zur Klebfläche an den Enden der Klebung infolge der aus dem Versatz der Schwereachse auftretenden Biegemomente entstehen. Diese beeinflussen das Ermüdungsverhalten negativ und führen zu einer beschleunigten Schädigung. 3 Biegeversuche an verstärkten Quadrathohlprofilen Zur Beurteilung des Tragverhaltens von CFK-verstärkten Stahlbauteilen unter einer Biegebeanspruchung wurden Vier-Punkt-Biegeversuche an verstärkten Quadrathohlprofilen durchgeführt (siehe Abbildung 2). Die Quadrathohlprofile wiesen eine gemessene Streckgrenze von R p0,2 = 420 MPa, eine Zugfestigkeit von R m = 565 MPa und eine Wanddicke von 8 mm auf. Neben den unterschiedlichen Systemen, bzw. Kombinationen von CFK-Lamellen und Klebstoff wurden auch unterschiedliche Anordnungen der CFK-Lamellen (innenliegend, außenliegend, übereinander, etc.) und der Einfluss einer thermischen Vorbehandlung der Klebverbindung untersucht. Abbildung 3: Darstellung Versuchsaufbau und Querschnitt des Probekörpers für den Vier-Punkt-Biegeversuch Eine Zusammenfassung der Versuche ist in Tabelle 3 gegeben. Die einzelnen Ergebnisse und Bezeichnungen werden im Folgenden erläutert. 4

5 Tabelle 4: Versuchsergebnisse der Vier-Punkt-Biegeversuche Verstärkung F max [kn] e max Lamelle Versagen Unverstärkt / Referenz Vollplastische Traglast Sys 1, 1 Lam. außen 227 1,05 % 245 0,96 % Abspringen der Sys 2, 1 Lam. außen 251 1,06 % CFK-Lamelle 246 1,02 % Lam. 1 + Kleb C 275 1,70 % Lam. 1 + Kleb D 267 2,10 % Faserbruch Lamelle Sys 1, 2 Lam. außen 266 1,37 % Sys 1, 1 Lam. außen + innen 270 1,01 % Abspringen der CFK-Lamelle Sys 1, 2 Lam. innen Sys 1, 3 Lam. innen Lam. 1 + Kleb D, 80 C 276 2,29 % Faserbruch Lamelle 3.1 Einfluss des Verstärkungssystems Die Versuchsergebnisse zeigen, dass im Vergleich zu dem unverstärkten Quadrathohlprofil (F max = 237 kn) mit dem System 1 keine Traglaststeigerung erzielt werden konnte (F Sys 1 = 227 kn), wohingegen das System 2 zu einer 5 % höheren Traglast (F Sys 2 MW = 247 kn) führt. Beide Systeme versagten durch ein Abspringen der CFK-Lamelle analog zu den Zugversuchen nach Kapitel 2.1. Mit dem Ziel, die CFK-Lamelle mehr auszunutzen, wurden weitere Versuche mit den Kombinationen Lamelle 1 und Klebstoff C sowie Lamelle 1 und Klebstoff D durchgeführt. Unter Verwendung dieser beiden Klebstoffe kam es in den weiteren Versuchen zu einem Faserbruch der CFK-Lamelle. Die maximal erreichten Traglasten lagen 17 % (F L1+KC = 275 kn) und 14 % (F L1+KD = 275 kn) über denen des unverstärkten Quadrathohlprofils. 3.2 Einfluss der CFK-Lamellenanordnung In Abbildung 3 sind die untersuchten Lamellenanordnungen für die Vier-Punkt-Biegeversuche dargestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Applikation zusätzlicher Lamellen auch das System 1 zu einer Traglaststeigerung im Vergleich zum unverstärkten Quadrathohlprofil um bis zu 14 % führen kann. Der Ausnutzungsgrad der Lamelle wird im Vergleich zu den in Kapitel 3.1 durchgeführten Untersuchungen jedoch nicht erhöht. Vielmehr wird die zusätzliche Traglast über einen größeren Verstärkungsquerschnitt erkauft. Dennoch zeigen die Versuche, dass die Verstärkung mit CFK-Lamellen sowohl bei konkaver sowie konvexer Biegung als auch einer Anordnung am Steg grundsätzlich geeignet ist. unverstärkt 1 Lamelle außen 2 Lamellen außen 1 Lamelle außen und innen 2 Lamellen innen 3 Lamellen innen Abbildung 4: Quadrathohlprofilquerschnitt mit unterschiedlichen Lamellenanordnungen 3.3 Einfluss einer thermischen Vorbehandlung Stand der Technik ist es, dass eine Erwärmung der Klebverbindung während der Aushärtungszeit einen positiven Effekt auf die Klebfestigkeiten hat. Dies wurde unter anderem im Rahmen von [1] für Kleinbauteile bestätigt. Aus diesem Grund wurde dieser Effekt auch bei den verstärkten Biegebauteilen untersucht. Hierzu wurden zwei Probekörper, zum einen mit 5

6 System 1 und zum anderen mit Lamelle 1 und Klebstoff D verstärkt und anschließend für 28 Tage bei 80 C in einem Trocknungsofen gelagert. Die Auslagerung mit dem System 1 musste aufgrund eines vorzeitigen Versagens der Klebschicht während der Konditionierung beendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass der Klebstoff A wegen seines nur eingeschränkten Verformungsvermögens die Differenzdehnung von Stahl und CFK-Lamelle nicht ertragen konnte. Für den Klebstoff D konnte die Konditionierung bei 80 C ohne Versagen während der Auslagerung durchgeführt werden. Im Anschluss erfolgte einer Konditionierung von 24 h bei Raumtemperatur. Im Vier-Punkt-Biegeversuch kam es wie beim nicht thermisch vorbehandelten Probekörper zu einem Faserbruch der CFK-Lamelle (siehe Abbildung 5). Die erreichte Traglast konnte im Vergleich zum thermisch nicht vorbehandelten Probekörper um weitere 4 % gesteigert werden. Abbildung 5: Faserbruch der CFK-Lamelle im Vier-Punkt-Biegeversuch 4 Zusammenfassung Im Forschungsprojekt STAKOK wurde das Verstärken von Stahlkonstruktionen durch das Aufkleben von kohlefaserverstärkten Kunststofflamellen untersucht. Die derzeitigen Erkenntnisse zum Tragverhalten sind vielversprechend und zeigen weiteren Forschungsbedarf. Weiterhin muss insbesondere die optimale Kombination von Klebstoff und CFK-Lamelle für die Anwendung im Stahlbau ermittelt werden. Die im Massivbau bewährten Klebstoffe weisen zwar ausgezeichnete Festigkeits-, Alterungs- und Langzeiteigenschaften auf, haben jedoch ein mangelndes Verformungsvermögen, d.h. eine zu geringe Bruchdehnung. 5 Danksagung Das Vorhaben IGF-Nr B der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS, Düsseldorf, wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. An dieser Stelle soll allen, die zum Gelingen des Projektes beitragen, gedankt werden, insbesondere der AiF und dem projektbegleitenden Ausschuss für die Bereitstellung von Materialien und die stetige Bereitschaft zur Diskussion. 6 Literatur [1] Bartholomé, S; Pasternak, H.; Götz, F.; Ummenhofer, T.; Geßler, A.; Feldmann, M. (2015), Kleben von CFK-Lamellen im Stahlbau, DVS-Berichte Band 315, S , Düsseldorf [2] Bartholomé, S.; Götz, F.; Ummenhofer, T.; Geßler, A.; Feldmann, M. (2014), Zum Kleben von CFK-Lamellen im Stahlbau, Schriftenreihe Stahlbau, Heft 8, BTU Stahlbau-Symposium, S.83-90, Cottbus 6