Gelbrich, Sandra

Kroll, Lothar

Nendel, Wolfgang

Zipplies, Eberhard

Qucosa

Entwicklung von GFK-Leichtbauzugstäben für den Einsatz als statisches Element in Holzkonstruktionen

HSSS - Hochschulschriftenserver der SLUB

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INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLK6. Bautechnik - Forum Chemnitz„Entwicklung von Leichtbauzugstäben für den Einsatz als statisches Element in Holzkonstruktionen“1Dipl.-Ing. Sandra Gelbrich,  Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar KrollINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKEinsatzgebiet von ZugstabsystemenStand der Technik Zugstabsysteme aus Stahlª Probleme:- Hohes Gewicht Ö Montagekosten- Korrosion Ö Korrosionsbeschichtung- Brandschutz     Ö Brandschutzmaßnahmen(Beschichtung, Umhausung, etc.)- Steigender Stahlpreis             aufwendig, teuer, schwerZielstellung Neue Zugstabgeneration in Leichtbauweise- Hohe Zugbeanspruchung durch belastungsgerechte Faserlage und optimierte Krafteinleitung- Flexibilität in der Ausführung und kurze Montagezeiten- Brandschutz: Feuerwiderstandsdauer F30 (DIN4102)  durch feuerfestes Harzsystem - Geringes Eigengewicht (Leichtbau)- Korrosionsbeständigkeit - Preiswerte und wirtschaftliche KonstruktionEinsatzgebietIndustriehallenbau / Holzbau26. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKBelastungsprofil:  ZugstabsystemZugstabsysteme werden als statisches Element zur Aussteifung und Stabilisierung der Konstruktion, insbesondere im Ingenieurholzbau eingesetzt. Zugstäbe können sowohl im Bereich der Wandkonstruktion (reine Zugbelastung) als auch im Dachtragwerk (Zug- und Drucklasten) verwendet werden.Ö Hauptbeanspruchung: Zugbelastung3INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKWinddruckWinddruckSchneelastWindsogWindsogEigenlastEinwirkende Belastungen nach DIN 1055- Statische Belastungen:  Zugbeanspruchung (z. B. Schneelast, Eigenlast)- Dynamische Belastungen: Druck-/Zugbeanspruchung (z. B. Winddruck/Windsog)Belastungsprofil: Gesamtkonstruktion 46. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKFaser-Kunststoff-Verbunde (FKV) 5INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKAufbau des LeichtbauzugstabsystemsAufbau- Leichtbauzugstäbe bestehen aus Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)- Faserorientierung: unidirektional- Stabdurchmesser: 16 bzw. 20 mm- Faservolumengehalt: 50 %Verbundkomponenten- Duroplastische Harzmatrix (flammenhemmend)- Glasfaserrovings (E-Glas); EndlosfasernHerstellung Pultrusion (Strangziehverfahren)GFK-Rund-stäbe6GFK-Rundstab6. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKPultrusion von GFK-RundstäbenPultrusionsanlage der Firma Lätzsch GmbHKunststoffverarbeitungin Kitzscher bei LeipzigFormgebungswerkzeug7INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKPultrusion von GFK-RundstäbenRoving-zuführungTränkbad-ImprägnierungFormgebungAushärtungMaterialzufuhr / Harzansatz86. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKEigenschaften: GFK- und StahlzugstäbeGFK-Stab Zugfestigkeit: parallel zur Faser 470 MPasenkrecht zur Faser 100 MPaZug-E-Modul: parallel zur Faser 40.000 MPasenkrecht zur Faser 10.000 MPaDruckfestigkeit: parallel zur Faser 350 MPasenkrecht zur Faser 55 MPaDruck-E-Modul: parallel zur Faser        39.400 MPasenkrecht zur Faser 12.350 MPaBruchdehnung: 1 bis 3 %⇒ Verlust der Tragfähigkeit durch intralaminaren SchubspannungsbruchStahlstab Zugfestigkeit: 310 bis 630 MPa   (=N/mm²)St37 Streckgrenze: 185 bis 355 MPaZug-E-Modul: 210.000   MPaDruckfestigkeit: = ZugfestigkeitBruchdehnung: 18 - 26 % isotropanisotrop9INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKGFK-Zugstäbe verhalten sich im elastischen Bereich ähnlich wie Stahl-Zugstäbe. Im Gegensatz zu den Zuggliedern aus Stahl haben sie jedoch keineausgeprägte Streckgrenze. (Versagen ohne plastische Verformung) 01002003004005000 5 10 15 20 25Dehnung [%]Spannung [MPa]GFK-StabRundstahl S 235 (St 37)10Eigenschaften: GFK- und Stahlzugstäbedccd6. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKGFK-Stäbe versagen bei Erreichen der Maximalzugfestigkeit und haben im Vergleich zu ihrer Festigkeit in Faserlängsrichtung nur sehr geringe Querdruckfestigkeit. ª Im Bauwesen gebräuchliche Verankerungstechniken, wie Haft-, Keil- oder Schraubverankerungen können nicht angewendet werden, da der Faserverbund  des GFK-Stabes nachhaltig zerstört wird.Fasergerechte Krafteinleitungen für GFK-ZugstäbeStiftverbindung mit gerissenem Stab Schrauben-verbindung ohne/mit VerpressenKeilverbindung mit gerissenem GFK-Stab 11INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKEntwurf von Krafteinleitungen:   PressverbindungÖ Fokus auf Pressverbindung als Grundform der KrafteinleitungsvariantenEntwicklung einer neuen, fasergerecht ausgelegten VerbindungAuswahl bzw. Konstruktion eines KrafteinleitungselementsEinbringung PresskonturPresszange und zugehöriger MatrizeVerpressung Druckpresse unter definiertem Pressdruck126. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKHerstellung der ausgewählten PressverbindungPresszangeHydraulische Verpresseinrichtung(Entwicklung an der Professur SLK)13INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKLösungskonzepte für eine optimierte PresskonturOptimale Gestaltung der PressverbindungUntersuchungen zu geometrischen Abmessungen (Länge, Breite, Tiefe), Ausrichtung (quer/längs), Anzahl, Anordnung (flächig, linienförmig) und Lage der Presskonturen 146. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLK01020304050600 10 20 30 40 50 60Dehnung [mm]Zugkraft [KN]Belastungsversuch an optimierten Pressverbindungen 15Zugversuchc fd ge hcefhgdINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKBruchbilder der geprüften PressverbindungenOptimierung der Presskonturen Optimierung des PressdruckesErzielung maximaler Zugfestigkeitenbeim Verpressdruck von 190 bar !166. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKVerpressdruck zu hochSchliffbilder zur Kontaktstelle GFK/StahlVerpressdruck zu niedrig17INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKOptimaler Verpressdruck- Fasern und Matrix pressen sich in die Gewindegänge des Innengewindes im Bereich der ringförmigen PresskonturenÖ Form- und Kraftschluss- Kein Durchtrennen/Zerstören der Fasern  infolge der Druckkraftaufbringung- Bei Zugbelastung: Abscheren der Rand-fasern im Pressbereich („Faserstau“)18Schliffbilder zur Kontaktstelle GFK/Stahl6. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKEntwicklung einer kombinierten Kleb-Press-Verbindung (KPV)⇒ Verbundwerkstoffe: Zielgerichtete Kombination von Matrixmaterialien mit entsprechenden Verstärkungskomponenten ° Zusammenwirken unterschiedlicher Materialien (Faser/Matrix) ª Schaffung eines neuen Werkstoffs mit deutlich verbesserten Gesamteigenschaften⇒ Kombinierte Fügeverbindung: Zielgerichtetes Zusammenwirken unterschiedlicher Verbindungsarten (Analogie zu den Verbundwerkstoffen) ° neue Fügeverbindung als zweckentsprechende und zielgerichtete Kombination von „Matrixverbindung“ mit ausgewählter „Verstärkungsverbindungen“° neue Kombinationsverbindung mit deutlich besseren EigenschaftenDank der an der Professur SLK entwickelten, auf ihr Anwendungsgebiet abgestimmten Kleb-Press-Verbindung (KPV) wird eine kombinierte Fügeverbindung bereitgestellt, in der der Form- und Kraftschluss der reinen Pressverbindung zusätzlich durch einen infolge Klebverbindung gezielt unterstützt wird. ⇒ Zusätzliche Klebverbindung (Kleber: Polyurethan) zur Erhöhung der TragfähigkeitKombination von Kleb- und Pressverbindung 19INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKZugfestigkeit von Kleb-Press-Verbindungen (KPV) 20010000200003000040000500006000070000800000 5 10 15 20 25 30Dehnung [mm]Zugkraft [N]Pressverbindung; 4 PressstellenKleb-Press-Verbindung; 4 PressstellenKleb-Press-Verbindung; 2 PressstellenPressverbindung; 2 Pressstellen"Klebverbindung mit OberflächenvorbereitungMaximale Zugfestigkeit:  Fmax = 70 kN   dccdefgfged6. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKDehnungsverhalten der Kleb-Press-Verbindung (KPV) 210501001502002503003504000 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5Dehnung [%]Zugspannung [MPa]Kleb-Press-Verbindung, 4 PressstellenKleb-Press-Verbindung, 2 Pressstellen"Bereich zur Berechnung des E-ModulsZug-E-Modul (parallel zur Faser):EKP-4PS = 46.633 MPa        EKP-2PS = 33.515 MPaINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLK22Schliffbilder entlang der KPV-Pressstellec d ecd e6. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKTemperaturverhalten der Kleb-Press-Verbindung (KPV)Ermittlung der Zugfestigkeit der GFK-Zugstreben unter Temperatureinwirkung INSTRON (Prüfmaschine) mit Temperaturkammer Ö Reduzierung der maximalen Zugfestigkeit- T = 20°C  Ö 100% Zugfestigkeit- T = 60°C  Ö 86 % Zugfestigkeit   Ö relevante Temperatur unterm Dach- T = 80°C  Ö 68 % Zugfestigkeit - T = 100°C   Ö 56 % Zugfestigkeit Die Verringerung der maximalen Zugfestigkeit der Kleb-Press-Verbindung ist auf dasSetzungsverhalten im Anschlussbereich der Verbindung zurückzuführen.ª Starke Reduzierung der Klebfestigkeit infolge TemperaturanstiegÖ Ab einer Temperatur von T > 80°C sichert ausschließlich die Pressverbindung die Übertragung der wirkenden KräfteÖ Im Bereich von T = 20°C bis 80°C wird die Kraftleitung von Kleb- und Pressverbindung in Kombination übernommen, die maximale Zugfestigkeit der Klebverbindung sinkt jedoch bereits bei einer Temperaturerhöhung auf 60°C  um ca. 14%23INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKLangzeitprüfung der Kleb-Press-Verbindung (KPV)Proben GFK-Stäbe aus brandfestem HarzGeometrie    Durchmesser: 16 mm; Länge: 2,0 mAnschluss Metallpresshülsen aus St38Verbindung Kleb-Press-Verbindung2K PU-KleberDauer der Langzeitversuche 1200 StundenVorspannkraft des GFK-Stabsystems 30 kN246. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKRelaxation051015202530350 200 400 600 800 1000 1200 1400Standzeit in StundenZugkraft in kNKraftmessdoseKraftabfall nach 1250 Stunden bei Vorspannung von 30 kN:      Fa = 1,5 kN25Langzeitprüfung der Kleb-Press-Verbindung (KPV)INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKKriechneigung  (Gesamtlänge 2,0 m)0,000,050,100,150,200,250,300,350,400,450 200 400 600 800 1000 1200 1400Standzeit in StundenVerschiebung in mmWegaufnehmer linksWegaufnehmer rechtsMaximale Axialverschiebung nach 1250 Stunden: Linke Metallhülse: 0,26 mm       Rechte Metallhülse: 0,40 mmLangzeitprüfung der Kleb-Press-Verbindung (KPV) 266. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007TagungsbandINSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKZusammenfassungEntwicklung eines Zugstabsystems aus GFK mit Anschlussverbindungen Ö Ersatz der konventionellen Stahl-Zugstabsysteme.GFK-Zugstrebe Matrix:        Duroplast mit Zusatzstoffen zur Erhöhung der BrandbeständigkeitFasern:       E-Glas  (Faservolumengehalt 50 bis 60 Vol.%)Geometrie: Durchmesser 16, 20 mm (Herstellung durch Pultrusion)Verbindung Kleb-Press-Verbindung (Metallhülse)Kleber:  Zweikomponentenkleber auf PolyurethanbasisPressen:     Entwicklung einer hydraulischen Presseinrichtung (190 bar)Presskontur in Ringform, 4 PressstellenEigenschaften Zugfestigkeit (Kurzzeit): Fmax = 70 kNZug-E-Modul: EZug = 46,6 GPaLangzeitfestigkeit: Kraftabfall nach 1250 Stunden bei Vorspannung 30 kN: Fa =1,5 kNSchwingfestigkeit: dynamische Druck-Zugbelastung + 30 kNnach 106 Lastwechseln: Δl = 0,1 mmBrandfestigkeit: nach DIN 4102 – F30 27INSTITUT FÜR ALLGEMEINEN MASCHINENBAU UND KUNSTSTOFFTECHNIK  IMKProfessur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung  SLKVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Technische Universität ChemnitzInstitut für Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik IMKProfessur Strukturleichtbau und KunststoffverarbeitungProf. Dr.-Ing. habil. Lothar KrollDipl.-Ing. Sandra GelbrichWissenschaftliche MitarbeiterinReichenhainer Str. 70, Zi. D 12909126 ChemnitzTelefon: +49 (0) 371 531 3 21 92Fax: +49 (0) 371 531 83 21 92E-Mail: sandra.gelbrich@mb.tu-chemnitz.dewww.strukturleichtbau.netWir bedanken uns bei der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) für die Bereitstellung von Fördermitteln sowie beim Projektpartner Lätzsch GmbH Kunststoffverarbeitung für die gute Zusammenarbeit.6. Bautechnik - Forum Chemnitz 28Lätzsch GmbH Kunststoffverarbeitung IGZ Goldener Born, Rathenaustr. 1  04567 Kitzscher OT ThierbachTelefon: +49 (0) 3433 24 54 0Fax:       +49 (0) 3433 24 54 100www.laetzsch.de6. Bautechnik-Forum Chemnitz 2007Tagungsband

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