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Wednesday, September 16, 2015, Saal Seoul 11:15 AM Stahl- und Schiffbau |
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Risssanierung von dynamisch beanspruchten Stahlbauteilen mit kohlenfaserverstärkten Kunststoffen (CFK-Lamellen) |
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Marcin Bulkowski* / Lehrstuhl Stahl- und Holzbau Brandenburgische Technische Universität Cottbus - Senftenberg, DE Hartmut Pasternak / Lehrstuhl für Stahl- und Holzbau BTU Cottbus-Senftenberg, Deutschland |
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Stahlstraßenbrücken weisen vermehrt Ermüdungsrisse in den letzten 20 Jahren auf. Um eine weitere Nutzung dieser Bauwerke zu ermöglichen ist eine Instandsetzung und Ertüchtigung dringend erforderlich. Die bisher angewendeten Methoden, wie das Abbohren von Rissspitzen oder das Reparaturschweißen bringen zusätzlichen Beanspruchungen, wie Schweißeigenspannungen oder Kerben in die Detailpunkte ein. Wohingegen ein alternatives Reparaturkonzept mit vorgespannten CFK-Lamellen die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist. Um das Potential und die Anwendbarkeit dieser Sanierungsmaßnahme für die Anwendung im Stahlbrückenbau und darüber hinaus aufzuzeigen, sind systematische Untersuchungen zwingend erforderlich. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden Untersuchungen zum Thema Verstärkung von angerissenen Stahlbauteilen unter dynamischer Belastung mit CFK-Lamellen durchgeführt. Zum Vergleich wurden ebenfalls Experimente an Probekörpern ohne Verstärkung und mit einer alternativen Lösung getätigt. Mit Hilfe von Versuchen, die an breiten Zugproben (CCT Center Crack Tension) aus Stahl S235 durchgeführt wurden, werden die Eingangsparameter zur bruchmechanischen Analyse ermittelt. Der Riss wird mechanisch erzeugt und ist ursprünglich 40 mm lang. Die CFK- Lamellen werden symmetrisch auf beiden Seiten der Zugprobe über den Riss geklebt. Die Probekörper wurden unter dynamischer Beanspruchung (sinusförmiger Kraftverlauf) mit einem Spannungsverhältnis R=0,1 und einer Frequenz von 5 Hz getestet. Beim ersten Versuch, verstärkt mit CFK-Lamellen, konnten 220.000 Zyklen bis zum Bruch erreicht werden. Hingegen ertrug der Probekörper ohne eine Verstärkung nur 104.000 Lastspiele. Beim Modellieren des Risses mit traditioneller Finite- Elemente-Methode ist gefordert, dass sich das Netz mit jedem Schritt der Geometrie anpasst. Mit Hilfe von eXtended FEM konnte die Netzneugenerierung in der Nähe des Risses vernachlässigt werden. Die numerische Simulationen wurde zuerst statisch mit Hilfe von Abaqus und dann dynamisch mit MSC Fatigue® durchgeführt. Beim Versagen des Probekörpers bricht zuerst die Klebfuge, wobei vereinzelt auch die CFK-Lamellen zerreißen. Die CFK-Lamellen verlangsamen den Rissfortschritt in einer ermüdungsrissgeschwächten Stahlprobe sowie das Auftreten der plastischen Deformation im Material. Sie vergrößern den Bruchwiderstand des Stahls. |