Auslegung von Verstärkungen ermüdungsgeschädigter Stahlbauteile mit aufgeklebten Faserverbundwerkstoffen
Creators: name: Kasper, Yann J.
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Stahlbau
Stahlbrückenbau
Verstärkung
Sanierung
Ermüdungsrisse
Rissfortschritt
Klebtechnik
Faserverstärkte Kunststoffe
CFK
CFK-Lamelle
Bruchmechanik
Rissfortschrittsversuche

description: Aus den von der Bundesanstalt für Straßenwesen veröffentlichten Zustandsnoten lässt sich ein erheblicher Sanierungsbedarf deutscher Straßenbrücken ableiten. Das Aufkleben von CFK-Lamellen stellt eine leistungsfähige Verstärkungsmethode zur Erhöhung der Restlebensdauer ermüdungsrissgeschädigter Stahlbrückenbauteile dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen zum Rissfortschrittsverhalten in Stahlblechen unter zyklischer Beanspruchung, welche mit aufgeklebten CFK-Lamellen verstärkt wurden, sowie zum Trag- und Versagensverhalten geklebter CFK-Stahl-Überlappverbindungen durchgeführt. Die klebtechnische Verstärkung durch CFK-Lamellen weist viele Nachteile üblicher Verstärkungsmethoden nicht auf. Die Entwicklung und Validierung eines ingenieurmäßigen Verfahrens zur Abschätzung der Fortschrittsgeschwindigkeit von Ermüdungsrissen in mit aufgeklebten CFK-Lamellen verstärkten Stahlbauteilen ist ein wesentlicher Schritt zur Umsetzung der Verstärkungsmaßnahme in der Praxis und stellt den Kern dieser Arbeit dar. Auf Grundlage anwendungsspezifischer Randbedingungen des Stahlbrückenbaus werden zwei Epoxidharzklebstoffe und eine CFK-Lamelle für die experimentellen Untersuchungen ausgewählt und zunächst anhand von standardisierten Versuchen hinsichtlich ihres Verformungs- und Versagensverhaltens charakterisiert. In quasi-statischen Versuchen und Dauerschwingversuchen an zweischnittigen, geklebten CFK-Stahl-Überlappverbindungen wird das Trag- und Versagensverhalten unter anwendungsnahen Beanspruchungszuständen untersucht. Anhand der Versuchsergebnisse wird ein Verbundspannungs-Schlupf-Modell zur Abschätzung der statischen Verbindungstragfähigkeit verifiziert sowie Wöhlerlinien zur Abschätzung der Ermüdungsfestigkeit der CFK-Stahl-Verbindung abgeleitet. In Dauerschwingversuchen an Stahlblechen mit zentrischem Innenriss, die mit aufgeklebten CFK-Lamellen verstärkt wurden, werden der Einfluss der Lamellenvorspannung, des Lastniveaus, des Klebstoffs sowie einer ein- oder beidseitigen Lamellenapplikation auf die Restlebensdauer untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigen die hohe Leistungsfähigkeit der geklebten Verstärkung auf und werden zur Validierung einer entwickelten, numerischen Methodik zur Rissfortschrittsberechnung herangezogen. Im Rahmen einer numerischen Parameterstudie wird der Einfluss geometrischer und werkstofflicher Parameter auf die Wirksamkeit der CFK-Verstärkung quantifiziert. Anhand der Untersuchungsergebnisse wird abschließend ein ingenieurmäßiges Verfahren zur Abschätzung der Restlebensdauer CFK-verstärkter Stahlbleche auf Grundlage eines bruchmechanischen Berechnungsansatzes mit Modifikationsfaktoren entwickelt und validiert. Die Gegenüberstellung mit Versuchsergebnissen zeigt, dass die Restlebensdauer mit dem ingenieurmäßigen Berechnungsverfahren zuverlässig prognostiziert wird.