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

Schober, Kay-Uwe

Die Entwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise hat gezeigt, dass hybride Holzverbundbauweisen eine sehr effiziente Lösung zur Steigerung der Tragfähigkeit und Steifigkeit von biegebeanspruchten Holzbauteilen darstellen. Bei solchen Holzverbundbauteilen stellt insbesondere die effiziente Gestaltung der Schubkraftübertragung in der Verbundfuge zwischen den Baustoffschichten einen gewissen Schwachpunkt dar. Weiterhin limitieren insbesondere auch die streuenden Festigkeiten sowie wuchs- bzw. fertigungsbedingte Eigenschaften des in der Zugzone angeordneten Holzes die Leistungsfähigkeit solcher hybrider Verbundbauteile merklich. Eine innovative Lösung für diese Problemkreise konnte in der Herstellung von hybriden Verbundkonstruktionen aus Reaktionsharzbeton, faserverstärkten Kunststoffen und der bestehenden Holzkonstruktion gefunden werden. Dabei kommt in der Biegedruckzone ein Hochleistungs-Polymerbeton zum Einsatz. Die Zugzone wird mittels ein- bzw. aufgeklebter Faserverbundwerkstoffe verstärkt und strukturell bedingte Grenzen überwunden. Faserverbundwerkstoffe sind im Vergleich mit homogenen Werkstoffen durch eine strukturelle Anisotropie gekennzeichnet. Zur rechnerischen Beschreibung des Trag- und Bruchverhaltens benötigt man eine schichtenweise Spannungsanalyse, Bruchkriterien für die einzelnen Schichten und Degradationsmodelle zum Erfassen der Auswirkung von Teilbrüchen, die noch nicht zum Bruch oder Ablösen des Laminats führen. Dabei bieten bruchtypbezogene Versagenskriterien wesentliche Vorteile gegenüber Pauschal¬kriterien, da die vorherrschenden Bruchmodi mithilfe ein¬zelner Bruch¬bedingungen unabhängig voneinander beschrieben werden können. Zur Analyse des Verbundverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen und Holz wurde deshalb das vereinfachte Puck-Knaust-Kriterium für die Versagensanalyse in ANSYS(R) implementiert. Für die numerische Untersuchung der Verbundträger wurde ein Strukturmodell für Kunstharzbetone im Verbund mit Holz entwickelt, mit dem sich Steifigkeit und Kriechverhalten beliebiger Mischungsverhältnisse abschätzen lassen. Beim Vergleich der Ergebnisse zeigt sich, dass die relativen Kriechverformungen bei den verstärkten Balkenserien um das 1,8- bis 2,5fache größer sind als bei der unverstärkten Serie, was in der Materialspezifik des eingesetzten Polymerbetons begründet liegt. Die Kriech¬verformung steigt dabei mit zunehmendem Verhältnis von Polymerbetonstärke zum Holzgrundquerschnitt und kann mit der angegebenen Gleichung für beliebige Querschnittsverhältnisse ermittelt werden. Im Vergleich der Durchbiegung der Serien bei gleicher Belastung wird deutlich, dass die Steifigkeitsvorteile der verstärkten Balken durch die größere Kriechneigung ganz oder teilweise aufgebraucht werden. Besonders betrifft das die Serien, bei denen die obere Holzschicht mit PC substituiert wurde. Dort wird aus einem anfänglichen Vorteil sogar ein Nachteil. In der numerischen Simulation von hybriden Verbundträgern aus faser¬verstärkten Kunststoffen, Kunstharzbeton und Holz bestätigte sich der eindeutige Vorteil einer zusätzlich aufgebrachten Polymerbetonschicht. Der Beitrag der FVK-Verstärkung am Gesamtsystem fällt im Gegensatz zur PC-Deckschicht jedoch wesentlich geringer aus, da deren Potential erst bei größeren Belastungen voll aktiviert wird. In Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Anwendertauglichkeit insgesamt stellt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Kunstharzbetonen eine wirkliche und praxistaugliche Alternative gegenüber herkömmlichen Baustoffen zur Tragwerksverstärkung dar.

The development of timber-concrete composite structures has shown that hybrid composite systems are a very efficient solution to increase the load-carrying capacity and overall performance of timber structures. The weakness of these systems is clearly marked by the stiffness of the bond line, the natural limitations of the timber and defects in wood. An innovative solution of these problems has been found in a new-type composite beam for structural rehabilitation and upgrading, combining polymer concrete in the compression zone, fiber reinforced plastics in the tension zone and timber in between. Here, the epoxy PC can be combined with timber floors for upgrading without removing the suspended ceiling and the use of FRP as a strengthening material can be applied without necessitating the removal of the overhanging part of the structure. Therefore, this technique is very promising in many cases of reinforce¬ment of timber floors and historical structural wooden parts. The used materials show different mechanical and physical behavior due to the huge difference of stiffness and mechanical properties. All composite partners have been revised according the material formulation, structural performance of the composites, fracture and delamination behavior. Appropriate mechanical models for the numerical simulation on the basis of a finite element approach have been developed, whereas the comparison between numerical simulation and testing show a close agreement. The results of the experiments have highlighted the limitations of the composite structure as well as the advantages of the various combinations and present numerous interesting aspects. The properties of the glue lines can be described as a rigid continuous joint. This includes the good adhesive penetration into the wood surface and the high cohesive strength of the glue line in terms of further design and calculations. The test results show an increase of the load-carrying capacity up to 185% for short-term loading, depending of the ratio between polymer concrete and timber. For long-term performance the creep influence has been calculated with a rheological model to 1.8 - 2.5-times of the deflections compared to the unreinforced beams, depending also on the configuration. Here, the stiffness advantage of the short-term performance will be reduced, but leads in optimistic results for the use of this composite beam in practice. The numerical simulation results of the hybrid composite beam of polymer concrete, fiber reinforced plastics and timber have highlighted the advantage of additional stiffness in form of epoxy concrete on top. The contribution of the FRP to the overall performance is significant lower for LSD, but increases for higher loads. Regarding economical and practical aspects, the presented composite system describe a good alternative to conventional solutions for structural upgrading in reconstruction.

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Schober, Kay-Uwe: Untersuchungen zum Tragverhalten hybrider Verbundkonstruktionen aus Polymerbeton, faserverstärkten Kunststoffen und Holz. 2008.

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