Mögliche Bauweisen von hochbelasteten Biegeträgern aus Faser-Kunststoff-Verbunden sowie Konzepte für Krafteinleitungen und Fügungen
Final Report Abstract
Biegeträger gehören zu den in der Technik am häufigsten eingesetzten Strukturen. Praktisch umgesetzt sind bisher aber hauptsächlich metallische Konstruktionen. Faser-Kunststoff-Verbunde, insbesondere mit Kohlenstofffasern, sind mit ihrer hohen Leichtbaugüte und ihrer hervorragenden Ermüdungsfestigkeit auch für Biegeträger eine vielversprechende Werkstoffalternative. In diesem Projekt konnten viele wichtige Grundlagenfragen geklärt werden: Es wurden geeignete Bauweisen analysiert und bewertet und mit der modularen Biegeträgerbauweise eine zukunftsträchtige Bauweise entwickelt. Eine Laminatoptimierung für den Einsatzzweck Biegeträger und eine darauf aufbauende analytische Biegeträger-Optimierung stellen eine wesentliche Grundlage für die Ausgestaltung zukünftiger Biegeträger dar. Balkenauflager und Balkenverbindungen – klassische Krafteinleitungsprobleme, die häufig die Schwachstelle von Faserverbundkonstruktionen sind – wurden untersucht und eine Reihe von Konzepten entwickelt sowie die dringlichsten Fragestellungen untersucht. Die Krafteinleitungslösung des Demonstrator-Trägers konnte auch im Versuch überzeugen. Auf Grundlage aller Berechnungsergebnisse aus allen drei Teilprojekten wurde ein großformatiger Demonstrator-Träger in der neu entwickelten Bauweise konstruiert, dimensioniert und angefertigt und einem Bruchversuch unterzogen. Hierbei konnten die hohe Belastbarkeit und die hohe Leichtbaugüte unter Beweis gestellt werden. Der Vergleich des CFK-Demonstrator-Trägers mit einem ähnlichen handelsüblichen Stahlträger (IPE200) zeigt das Potenzial der FKV-Lösung: der-CFK-Träger wiegt lediglich ein Drittel des Stahlträgers; die ertragbare Last (243 kN) liegt knapp über der plastisch ertragbaren Last eines „S460-Stahlträgers“; der Leichtbaukennwert „ertragbare Kraft pro Masse“ übersteigt denjenigen eines Stahlträgers um den Faktor 3,6 bis 6,9 - je nach Stahlgüte. Fazit: Die modulare Bauweise eignet sich hervorragend für hochbelastbare FKV-Biegeträger. Die Herstellung des CFK-Trägers lieferte wichtige Erkenntnisse zur praktischen Umsetzung/Herstellung solcher Biegeträger. Die durchgeführten Arbeiten sind im Bereich der Grundlagenforschung angesiedelt. Auf nahezu allen Teilbereichen von Faserverbund-Biegeträgern besteht noch umfangreicher Forschungsbedarf. Grundlegende, noch nicht bearbeitete Fragestellungen sind: der praktische – experimentelle Nachweis einer hohen Langzeit- und Ermüdungsfestigkeit; die analytische Beschreibung aller relevanten Stabilitätsversagensfälle; ein Sicherheits-/ Nachweiskonzept bzgl. stat. Festigkeit, Stabilität, Schwingungsverhalten sowie Langzeit- und Ermüdungsverhalten; Sicherheits-/ Nachweiskonzepte für Krafteinleitungen und Verbindungen Brandverhalten und Brandschutzmaßnahmen für einen Einsatz im Bauwesen. Aufbauend auf diesem Forschungsprojekt sind eine Vielzahl weiterführender Arbeiten denkbar, aber auch notwendig: Fortführung der Bauweisenuntersuchungen, insbesondere Austesten von Details der vielen Lösungsansätze Entwicklung von Baukastensystemen für Faserverbundbiegeträger; Optimierung der Balken in Hinblick auf ein gutmütiges, kontrollierbares Versagensverhalten; Auslegen und Optimieren von Krafteinleitungs- und Verbindungskonzepten; hier besteht sicher noch der umfangreichste Forschungsbedarf; Weiterentwickeln und Optimieren von Fertigungs-, Füge- und Montageverfahren.
