Auslegung von Verstärkungen ermüdungsgeschädigter Stahlbauteile mit aufgeklebten Faserverbundwerkstoffen

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. ... mehrDie 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.

From the condition grades published by the Federal Highway Research Institute, a considerable need for rehabilitation of German road bridges can be deduced. The adhesive bonding of CFRP lamellas is a powerful reinforcement method for increasing the remaining service life of steel bridge components damaged by fatigue cracking. Within the scope of the present work, extensive experimental and numerical investigations are carried out on the crack propagation behaviour in steel plates under cyclic loading, which have been reinforced with adhesively bonded CFRP lamellas, as well as on the load-bearing and failure behaviour of CFRP-steel double-lap joints. ... mehrThe reinforcement with bonded CFRP lamellas does not show disadvantages of common reinforcement methods. The development and validation of an engineering procedure for estimating the fatigue crack propagation rate in steel components reinforced with bonded CFRP lamellas is an essential step to the implementation of the strengthening measure in practice and represents the core of the work.

Based on application-specific boundary conditions of steel bridge construction, two epoxy-based adhesives and one CFRP lamella are selected for the experimental investigations and characterised with regard to their load-bearing and deformation behaviour using standardised tests. In quasi-static tests and fatigue tests on CFRP-steel double-lap joints, the load-bearing and failure behaviour under near-application loading conditions is investigated. Based on the test results, a bond-slip model for estimating the static joint load-bearing capacity is verified and Woehler lines are derived for estimating the fatigue strength of the CFRP-steel joint.

With the help of fatigue tests on steel plates with a central crack, which were reinforced with bonded CFRP lamellas, the influence of the lamella pretension, the load level, the adhesive and a one-sided or two-sided lamella application on the remaining service life is investigated. The test results show the high performance of the bonded reinforcement and are used to validate a developed numerical procedure for crack propagation calculation.

Within the framework of a numerical parameter study, the influence of geometric, and material parameters on the effectiveness of the CFRP reinforcement is quantified. Based on the results of the study, an engineering procedure for estimating the remaining service life of CFRP-reinforced steel plates is developed and validated on the basis of a fracture mechanics calculation approach with modification factors. The comparison with test results shows that the remaining service life can be reliably predicted with the engineering calculation method.