Aktive Faser-Verbundwerkstoffe für Adaptive Systeme. Abschlussbericht

Jürgen Ruth, Rainer Gumpp, Christian Heidenreich
Aktive Faser-Verbundwerkstoffe für Adaptive Systeme. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2801
2012, 189 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Bauwesen werden 50 Prozent des weltweiten Energieverbrauches und ein Großteil der weltweiten Rohstoffvorkommen eingesetzt. Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung von ressourcenschonenden und energieeffizienten Bauweisen, Materialien und Technologien dringend notwendig. Einen möglichen Ansatz stellt die Leichtbauweise mit entsprechenden Leichtbaumaterialien, wie z. B. hochfesten Stählen und Faserverstärkten Kunststoffen (FVK) dar. FVK`s werden seit den 1950er Jahren im Bauwesen eingesetzt. Die Produktion entsprechender Profile ist aufgrund des Strangziehverfahrens (Pultrusionsverfahren) als Großserienproduktion möglich. Des Weiteren ermöglicht die Herstellung von FVK aus Fasern und entsprechendem Matrixmaterial eine genaue Anpassung des Materials und Profils an die Einflussfaktoren. Durch die gezielte Anpassung von Materialien und Strukturen an den Kraftverlauf lassen sich materialoptimierte Systeme erstellen. Der Einsatz von Leichtbaumaterialien ist im Hinblick auf das geringe Gewicht und Dämpfungsvermögen jedoch kritisch zu betrachten. Zu typischen Problemen zählen u. a. die Schwingungsanfälligkeit und große Verformungen infolge dynamischer Belastungen, wie Wind, Erdbeben oder Fußgängerverkehr. Ebenso stellt das hohe Kriechvermögen eine Herausforderung an die konstruktive Ausbildung derartiger Profile dar. Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, Wege aufzuzeigen, wie man die Vorteile des Leichtbaus nutzen kann und unter Zuhilfenahme von innovativen Techniken die derzeitigen Einsatzgrenzen aufheben kann. Einen derartigen Ansatz stellt die Integration von aktiven Systemen in Faserverstärkte Kunststoffe dar. Hierbei werden die Vorteile der FVK genutzt und durch einweben, bzw. Einlaminieren aktiver Fasern adaptive, selbstregelnde Systeme erzeugt. Auf diese Weise können die Material- und Systemeigenschaften individuell an die jeweilige Belastungs- und Umgebungssituation angepasst werden. Die Materialforschung hat in den letzten Jahren verschiedene intelligente (smarte) Materialien hervorgebracht. Hier

Ulrich Thebing
Ermittlung von A index 1I-Faktoren bei wechselnden Beanspruchungen
1985, 30 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zusatzlasten aus Wind und Schnee werden bei der Bemessung von Kunststoffkonstruktionen den staendigen Lasten als Dauerbeanpruchung ueberlagert, was wegen der viskoelastischen Eigenschaften dieser Werkstoffe zu unwirtschaftlichen Konstruktionen fuehrt. Anhand eines vorgegebenen Lastkollektivs wird eine vereinfachte Formel fuer die Berechnung eines reduzierten Abminderungsfaktors A1I zugrundegelegt. Daraus lassen sich in Abhaengigkeit von einem jeweils vorgegebenen Abminderungsfaktor herkoemmlicher Art und Groesse A1I-Faktoren ableiten die in Tabellenform aufgelistet sind. (hat)

G. Nonhoff
Einfluss des Kriechens auf die Stabilitaet laengsgedrueckter GFK-Zylinderschalen
1984, 46 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

An verschieden aufgebauten Zylindern aus glasfaserverstaerktem Kunststoff sind an Kurz- und Langzeitversuchen Stabilitaetsuntersuchungen durchgefuehrt worden. Die Versuche bezogen sich auf Schalen mit und ohne Vorbeulen unter Laengsdruckbelastung und Querkraftbiegung. Der Einfluss der Vorbeulen auf die ertragbare kritische Last, ist in erster Linie von dem Verhaeltnis Vorbeultiefe / Wanddicke abhaengig. Eine Abhaengigkeit von der Beulenausdehnung ist erst dann gegeben, wenn die Vorbeule groesser ist als die Halbwelle der moeglichen Beule ist. Der zeitliche Einfluss einer staendigen Last auf das Beulen konnte nicht eindeutig nachgewiesen werden. Alle Veraenderungen lagen im Bereich der normalen Streuungen, die sich bei solchen Versuchen ergeben. Fuer die Bemessung von Schalen unter Axialdruck wird eine Gleichung fuer die kritische Spannung angegeben. Bei Querkraftbiegung erhoeht sich der Wert um 20 Prozent. Eine Abminderung der kritischen Lasten infolge langzeitiger Lasteinwirkung muss nicht beruecksichtigt werden. Bei der Laminatauswahl sollte darauf geachtet werden, dass eine Umfangsverstaerkung vorliegt. Treten erhoehte Lasten kurzzeitig auf, ca 3 Monate, so retardieren die dadurch aufgetretenen Dehnungen relativ schnell, ca 3-4 fache Zeit, d.h. der Einfluss dieser Last auf das Kriechen ist auf die ganze Lebensdauer gesehen vernachlaessigbar klein. -y-

Berechnung der Steifigkeiten und Spannungen von GFK-Normlaminaten
1984, 49 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

GFK-Laminate werden in der Baupraxis normalerweise aus Matten-, Gewebe- oder UD-Schichten aufgebaut, wobei eine Beschraenkung auf bestimmte Glasgehalte im Normenentwurf fuer Bauteile aus glasfaserverstaerkten Reaktionsharzen vorgesehen ist. Diese Schichten werden entweder in der Kombination: Matte plus Gewebe oder Matte plus UD-Schichten, die unterschiedlich gerichtet sein koennen, angeordnet. Solche Laminate werden normalerweise berechnet, indem man von einer idealen Verteilung der Schichten ausgeht, die Steifigkeiten der Einzelschichten und daraus die Gesamtsteifigkeiten ermittelt und danach die mittleren Beanspruchungen der einzelnen Schichten und die Spannungen im Glas und im Harz bestimmt. Da der beschriebene Nachweis zu umstaendlich ist, wurde nunmehr ein vereinfachter Nachweis erarbeitet, wobei der regelmaessige Aufbau der Laminate beruecksichtigt wird. (-y-)

G.W. Ehrenstein, R. Spaude
Bestimmung von Dimensionierungskennwerten der Normenentwurf DIN 18820 festgelegten Typenlaminate im Hinblick auf eine Anwendung nach der neuen Sicherheitstheorie und Ableitung von baulichen Sicherheitsbeiwerten
1982, 163 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Glasfaserverstaerkte duroplastische Polymerwerkstoffe unterliegen staerker als andere Werkstoffe den Variablen der Herstellung und Verarbeitung. Ausserdem reagieren sie empfindlich gegenueber bestimmten physikalischen Einflussgroessen, was sich dann in einer mehr oder weniger grossen Streuung einzelner Werkstoffeigenschaften ausdrueckt. Um diese Streuungen bei der Sicherheitsbeurteilung eines GFK-Bauteils mitzuberuecksichtigen, ist zur Kennwertfestlegung die Angabe eines unteren Grenzwertes sinnvoll. Es ist bei der Ermittlung solcher Grenzwerte unerlaesslich, Ueberlegungen der Wahrscheinlichkeitstheorie und mathematischen Statistik in das Gebiet miteinzubeziehen. Daher sind die Materialeigenschaften als Funktion von verschiedenen Einflussfaktoren, wie z.B. Zeit, Temperatur, umgebendes Medium, Belastung oder Lastgeschichte statistisch zu erfassen. Da aber die Statistik keine absolut sicheren Aussagen zulaesst, muss im Rahmen der Ermittlung von Dimensionierungskennwerten eine statistische Sicherheit oder Irrtumswahrscheinlichkeit vereinbart werden. Als Basisgroesse fuer Werkstoffkennwerte dient ein unterer Grenzwert bzw. Fraktilwert, unterhalb dem nur noch ein geringer Prozentsatz aller Messwerte liegen soll. Die Angabe eines solchen Fraktilwertes kann immer nur mit einer bestimmten Aussagewahrscheinlichkeit vorgenommen werden, da er nur aus einem begrenzten Stichprobenumfang und damit aus einem begrenzten Informationsumfang bestimmt wird. -y-