Glasfaserverstärkte Kunststoffprofile unter hoher thermischer und mechanischer Beanspruchung
Final Report Abstract
2.1 Allgemeinverständliche Darstellung der wesentUchen Ergebnisse und der erzielten Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens Um mögliche hers teilungs bedingte Einflüsse auf die Verbundkunststoff-Probekörper zu vermeiden, ist es zwingend erforderlich, ein Evaluationsverfahren durchzuführen. Dabei hat sich das Wasserstrahlschneiden als geeignetes Verfahren herausgestellt. Im Verlauf der experimentellen Untersuchungen der Thermischen Analyse stellte die Inhomogenität des Probenmaterials, die in der Kunststoffpraxis übliche Einmal-Messung mit der Angabe definierter Temperaturen, kalorischer oder mechanischer Kennwerte in Frage. Für glasfaserverstärkte Kunststoffe sollte dazu übergegangen werden die Kennwerte in Grenzbereichen anzugeben, solange keine ausreichenden Materialkennwerte des untersuchten Werkstoffes vorliegen. Insgesamt erwies sich der glasfaserverstärkte Vinylesterharz um —20 °C temperaturbeständiger als der auf einer Polyestermatrix basierende Verbund. Beide zeigen eine aus konstruktiver Sicht meist ausreichende maximale Anwendungstemperatur von 110 ''C, die unterhalb der Glasübergangstemperatur li^t. Der Vorteil des GF-Phenolharzes li^t nicht nur in der höheren Temperaturbeständigkeit, sondem auch in einem geringeren Speichermodulverlust, der vor Degradationsbeginn (-350 °C) weniger als 10% beträgt. Mit Hilfe der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) konnte die Anwendbarkeit des Zeit-Temperatur- Verschiebungs-Prinzips (ZTV) auf den glasfaserverstärkten ungesättigten Polyesterharz nachgewiesen werden. Durch einen Vergleich kinetischer Parameter zwischen DMA und Thermogravimetrischer Analyse konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse beide Untersuchungsmethoden stark voneinander abweichen. Mittels Wiederholungsmessungen war es möglich über die thermogravimetrische, umsatzbezogene Berechnung vergleichbare Aktivierungsenergien zu emiitteln. Die experimenteUe Untersuchungen von glasfaserverstärkten Polyesterharzprofilen an einem Kleinversuchsofen zeigte, dass keine Linearität zwischen der Wahl größerer Trägerquerschnitte mit höheren Widerstandsmomenten und einer längeren Feuerwiderstandsdauer besteht. Der Ausnutzungsgrad von 0.3 bei IPE 120 Profiltypen reduziert die Feuerwiderstandsdauer um das Vierfache gegenüber nur durch Eigengewicht belasteten Profilen. Die Versuche machen Schwächen von GFK-Tragelementen unter Drei-Punkt-Biegung im Dmckbereich deutlich, die vierseitig bei hohen Temperaturen beflammt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Temperatur zum Bruchzeitpunkt geringer ist als die Glasübergangstemperatur (unter thermischer und mechanischer Belastung) bei einer Materialdicke von weniger als 10 mm. Mit den in diesen Versuchen festgelegten Randbedingungen ergeben sich Feuerwiderstandsdauem unter thermischer und mechanischer Belastung, die unter 3 Minuten Hegen. Die angewendeten Brandschutzverkleidungen mittels Steinwolle und wasserbasierendem, intumeszierendem Brandschutzanstrich waren von begrenztem Nutzen. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurden im Weiteren numerische und analytische Modelle generiert Die auf die thermische Belastung reduzierten numerischen Modellierungen erlauben eine Auswertung des Einflusses der thermischen Kennwerte und die Angabe von groben Empfehlungen für die Versagenszeiträume in Bezug auf ihren Ausnutzungsgrad. Dies führte zur Aufstellung eines analytischen Modells, welches unter Annahme gleichmäßiger allseitiger Erwärmung in Abhängigkeit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von Isothermen gesetzt werden konnte. Das analytische Modell, welches über drei Querschnitte validiert wurde lässt eine Tragfähigkeitsberechnung in Funktion der Zeit und Temperatur zu, das heißt eine Berechnung der Feuerwiderstandsdauer. Eine auf den experimentellen Ergebnissen basierende numerische Ergebnismodellierung mit thermischer und mechanischer Beanspruchung zeigte geringe Abweichungen von den Versuchs technisch ermittelten Werten. Dabei konnte die Gültigkeit eines linear elastischen Werkstoffverhaltens der GFK-ProfUträger in Abhängigkeit von der Zeit und innerhalb eines bestimmten Temperatumiveaus als hinreichend genau bestätigt werden. Für eine gekoppelte, viskoelastische thermo-mechanische Berechnung erhöht sich der Aufwand beträchtlich. So musste die Anwendbarkeit des ZTV-Prinzips nachgewiesen werden und anschließend deren Materialkoeffizienten aufgearbeitet und in die Berechnung mit implementiert werden. Die Rechenkapazität ist nur an bestimmten Großrechenanlagen möglich, wobei der Nutzen der erhöhten Berechnungsgenauigkeit derzeit noch nicht abschätzbar ist. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Die Ergebnisse dieser Forschung, insbesondere in Bezug auf die glasfaserverstärkten Polyesterharze, basieren auf einer immer noch geringen Anzahl von Experimenten. Um eine bessere Basis zur Bewertung und Beurteilung zu erreichen, sind weitere Untersuchungen von unterschiedlichen Profilgeometrien notwendig. Aufgrund dieser Grundlagen bildenden Arbeit wurden nicht alle Aspekte voUständig abgedeckt und werfen FragesteUungen auf, die als Aufgaben zukünftiger Arbeiten angesehen werden können: • Wenn sich die Ergebnisse durch die Inhomogenität von FVK so stark beeinflussen lassen, muss untersucht werden, wie repräsentativ die Messungen bezogen auf den Verbund sind (Gültigkeit der Mischungsregeln auf thermische Kennwerte) • AUgemeine Bestimmung von Materialkennwerten in Bezug auf ihre Anwendbarkeit in Simulationen (kinetische Parameter) • Brandversuche an unterschiedlichen ProfUen und unter unterschiedUchen Belastungen, die den Ausnutzungsgrad berücksichtigen • Referenzieren der Ergebnisse analytisch nachvollziehbarer ModeUe an Brandversuchen (Ausbau des vorhandenen ModeUs unter Verifizierung anderer ProfUe) • Altemngsprozesse bei VerbundmateriaUen, insbesondere bei niedrig Hegendem Glasübergangs temperaturen • Brandversuche an PhenoUiarzprofUen In dieser Arbeit wurde das TragmodeU auf einen einfach gelagerten Biegebalken reduziert. Betrachtet man aber die Tragkonstmktion eines Gebäudes mit seinen Verbindungen, die materialgerecht als Klebeverbindungen hergesteUt wurden, steUt sich die Frage, welches der Elemente maßgebenderen Einfluss auf die Tragfähigkeit hat.
Publications
- CoUected AppUcations, Thenmsche Analyse und Brandversuche an glasfaserverstärkten Duroplasten, Instimt für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen, Febmar 2009, Smttgart
- J.Knippers, Brandverhalten von Bauteilen aus FVK, SKZ-Konferen^. Composites in Architecture, 9. - 10. Des;ember 2008, Dessau, Deutschland
- J.Knippers, Damage^ of flexural loaded composite beams subjected to fire. Fourth International Conference on FRP Composites Jn Civil Engineering, 22-24 July 2008, Zürich, Smt^rland
- J.Knippers, Glass Polmter Composite beam under combmed fire and bending loading. The fifth middle east symposium on structural composites for infrastructure applications. 23-25 I\4av 2008, Hurghada, Eppt
- J.Knippers, Thermal and Thermo-Mechanical Investigation of Polyester Based Composite Beams. COMPOSIl HS IN FRE 5, 10 ¿ / / Juh 2008, University of Newcastle. Newcastle upon Tyne
