Vorspannung mit karbonfaserverstärkten Kunststoffen im konstruktiven Holzbau: Fid-Bau Portal

Vorspannung mit karbonfaserverstärkten Kunststoffen im konstruktiven Holzbau

Luggin, W.F. / Bergmeister, K.

Das Ziel des dreijährigen Forschungsprojekts 'Verstärkung von Holzbauteilen mit kohlenfaserverstärkten Kunststoffen' war es, Grundlagen über die Applikation vorgespannter CFK-Lamellen auf Brettschichtholzträger zu erarbeiten. Insbesondere die Spannungskonzentrationen in den Lasteinleitungsbereichen (Scherspannung in der Verbundfuge und Querzugspannungen im Holz), die Vorspannverluste beim Nachlassen der Vorspannkraft im Spannbett und das Festigkeits- und Steifigkeitsverhalten unter Biegebeanspruchung wurden experimentell und rechnerisch untersucht. In den Abscherzugversuchen mit Dehnungsmeßstreifen konnte ein praktikables Modell der Verklebefuge definiert werden. Die Berechnung der Spannungen erfolgte mit Hilfe eines linear-elastischen Verbund-Ansatzes mit der Differentialgleichung des verschieblichen Verbundes. Es wurde eine fiktive Verklebsteifigkeit k - Quotient aus Schubmodul des Klebers GK und Dicke der Klebefuge t_K - definiert. Der Mittelwert für den verwendeten Kleber der Firma WEVO betrug ca. 43,6 N/mm³. Die Vorspannversuche erfolgten mit drei unterschiedlichen Querschnittsaufbauten. Das Verkleben der vorgespannten CFK-Lamellen auf der Oberfläche der BSH-Träger führte bereits bei geringen Vorspannkräften zu einem Versagen der Verbundfuge bzw. zu einem Querzugversagen des Holzes. Wesentlich bessere Ergebnisse zeigten die Versuchsserien mit stehend, exzentrisch und mittig verklebten CFK-Lamellen. Bei beiden Versuchsserien kam es während des Vorspannvorgangs zu keinem Versagen der Prüfkörper, und es konnten maximale Vorspannkräfte von P(0) = 138,0 kN (vv-s-60-5) bzw. P(0) = 137,6 kN (vv-m-100-2) aufgebracht werden. Die numerischen Berechnungen erfolgten mit der Methode der Finiten Elemente. Die Berechnungen der Querzugspannungen im Holz zeigten sehr gute Übereinstimmung mit den Bruchbildern der Vorspannversuche. Zur Untersuchung des Steifigkeits- und Festigkeitsverhaltens von schlaff bewehrten und vorgespannten BSH-Trägern wurden 23 Biegeversuche durchgeführt. Es konnte sowohl eine deutliche Erhöhung der Steifigkeits- als auch der Festigkeitseigenschaften der Hybridträger beobachtet werden: (1) Bei einem Bewehrungsgrad von 0,7 % wurde eine Erhöhung der Biegesteifigkeit von ca. 14 % erzielt. (2) Die Erhöhung der Biegefestigkeit (erstes Versagen des Holzträgers) betrug im Vergleich zu den unbewehrten Kontrollbalken bis zu 65 %. (3) Bei der Mehrzahl der bewehrten BSH-Träger konnte die Biegebeanspruchung nach dem ersten Versagen des Holzes gesteigert werden. (4) Die Biegebeanspruchung beim endgültigen Versagen der Träger konnte durch die Verstärkung mit CFK-Lamellen um bis zu 71,3 % gegenüber den unbewehrten Kontrollbalken gesteigert werden. (5) Die vorgespannte Applikation von CFK-Lamellen erhöht die Biegefestigkeiten bei Bewehrungsgraden von 0,35 % bzw. 0,70 % gegenüber schlaff bewehrten BSH-Trägern um ca. 10 %.