Verstärkung von ermüdungsbeanspruchten Stahlbauteilen mit aufgeklebten CFK-Lamellen. Teil 1: Grundlagen und Materialien. Teil 2: Experimentelle Rissfortschrittsuntersuchungen. Teil 3: Numerische Simulation

Reinforcement of fatigue damaged steel structures using CFRP lamellas. Part 1: Basics and materials. Part 2: Experimental crack propagation studies. Part 3:Numerical simulation

Der Beitrag basiert auf dem Forschungsprojekt „Einsatz von geklebten Kohlestoff-Faserverbundwerkstoffen zur Sanierung ermüdungsgeschädigter Stahlkonstruktionen (FASS)“ der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V., bei dem schlaffe oder vorgespannte CFK-Lamellen zur Erhöhung der Restlebensdauer aufgeklebt wurden. Teil 1 behandelt die Grundlagen der Methode und die verwendeten Materialien. Dabei werden die Ergebnisse von Kurz- und Langzeitversuchen an Verbundproben sowie an bauteilnahen CFK-Stahl-Überlappklebeverbindungen und ein auf den Stahlbrückenbau zugeschnittener Anforderungskatalog vorgestellt. Anhand der im Katalog aufgeführten mechanischen, thermomechanischen und fertigungsspezifischen Werkstoffeigenschaften wählte man geeignete Klebstoffe aus und unterzog sie experimentellen Untersuchungen am Verbundkörper. Durchgeführt wurden dazu quasi-statische Zug- und Kriechversuche an dicken Zugscherproben. Als geeignet erwiesen sich Klebstoffsysteme mit hoher Steifigkeit und Schubfestigkeit. Beim Kleben vorgespannter CFK-Lamellen sind zudem Klebstoffe mit geringer Kriechneigung erforderlich. Mit den Ergebnissen der Versuche konnten ein vorhandener Berechnungsansatz zur Abschätzung der statischen Tragfähigkeit für die beiden untersuchten Klebstoffe verifiziert und Wöhlerkurven aufgestellt werden. Teil 2 behandelt experimentelle Rissfortschrittsuntersuchungen an ermüdungsrissgeschädigten Stahlblechen und Großbauteilen. Dazu wurden Dauerschwingversuche an verstärkten Stahlbauteilen durchgeführt, in die vor dem Aufbringen der CFK-Lamellen ein definierter Anriss eingebracht worden war. Zur Fertigung der mit vorgespannt aufgeklebten CFK-Lamellen verstärkten Probekörper wurde eine Vorspannvorrichtung entwickelt. Die Versuche dienten zur Bestimmung der Restlebensdauer der verstärkten Proben. Die Versuche zeigen, dass durch die Verstärkung ermüdungsgeschädigter Stahlbauteile mit aufgeklebten CFK-Lamellen eine deutliche Erhöhung der Restlebensdauer erreicht wird. Dabei beeinflussen sowohl die Vorspannkraft als auch die Art der Applikation (ein- oder beidseitig) die Restlebensdauer. Im Vergleich mit herkömmlichen Verstärkungsverfahren wie Reparaturschweißen und Anbohren der Rissspitze liegen die Restlebensdauern bei Verstärkung mit CFK-Lamellen in der gleichen Größenordnung. Um die Versuche nachzuvollziehen, wurden in Teil 3 numerische Simulationen mit Abaqus basierend auf XFEM durchgeführt. Die Simulationen zeigen (wie schon früher die Versuche) im Vergleich mit den unverstärkten Referenzproben eine deutliche Reduzierung der Rissspitzenbeanspruchung durch die Applikation von CFK-Lamellen. Dies zeigt die signifikant höhere Restlebensdauer. Darüber hinaus zeigen die Parameterstudien, dass die verbleibende Ermüdungslebensdauer offensichtlich durch die Vorspannung, die Spannungsschwingbreite, die Anfangsrisslänge und die CFK-Breite beeinflusst werden. ABSTRACT IN ENGLISH: The condition grades of German road bridges, published by the Federal Highway Research Institute (BASt), show a considerable need for rehabilitation. Steel bridges often show fatigue cracks at points of increased stress concentrations. Due to the high volume of traffic and the enormous importance of a functioning infrastructure for the German economy, reconstruction is often not possible due to time restrictions. Therefore, effective and reliable methods of rehabilitation are required. The currently applied repair and reinforcement measures have significant disadvantages. A large number of these disadvantages can be avoided by means of an adhesive reinforcement, in which adhesively bonded CFRP lamellas are applied on the fatigue cracked steel structure. In the context of a research project the potential of bonded CFRP lamellas with or without pretension to increase the remaining service life is being investigated in part 1 of the contribution. Based on defined requirements, potential adhesives were preselected and characterized experimentally by means of short and long-term tests on modified thick tensile shear specimens. On the basis of quasi-static tests on CFRP steel overlap specimens, a calculation approach was verified to estimate the load carrying capacity and the minimum bond length for two selected adhesives. On the basis of the static tests, fatigue tests were carried out on the CFRP steel overlap joint and Wöhler diagrams are derived which can serve as a basis for fatigue strength design. In part 2 of the contribution the potential of CFRP reinforcements to increase the residual lifetime of fatigue-damaged steel components was investigated. For this purpose, tests were carried out on fatigue-crack-damaged centrically notched steel sheets as well as on large scale specimens. Each series investigated reinforcements with slack or pre-stressed CFRP laminates. To this end first a suitable prestressing device was designed and built to produce the prestressed reinforced test specimens. The results of the centrically, notched steel plate specimens showed a significant reduction of the crack tip stresses by the application of CFRP laminates in comparison to the unreinforced specimen reference. This shows the significantly higher residual service life. The arrangement of the plates and the applied pretension force have a decisive influence on the effectiveness of the reinforcement. The investigations on large scale specimens showed that the reduced crack tip stress can also be achieved when applied to realistic specimen geometries. In order to compare the effectiveness of a CFRP reinforcement with the refurbishment methods used previously in steel construction with regard to an increase in remaining service life, fatigue tests were carried out on fatigue-damaged CT specimens. In order to understand the tests, numerical simulations with Abaqus based on XFEM were carried out in part 3. The simulations show (like the previous tests), in comparison with the unreinforced reference samples, a significant reduction in the stress on the crack tips through the application of CFRP lamellas. This shows the significantly longer remaining service life. ln addition, the parameter studies show that the remaining fatigue life is obviously influenced by the prestress, the stress range of cyclic loading, the initial crack length and the CFRP width. (A)

  • Availability:
  • Authors:
    • Kasper, Y
    • Albiez, M
    • Ciupack, Y
    • Geßler, A
    • Ummenhofer, T
    • Pasternak, H
    • Feldmann, M
    • Dong, J
    • Li, Z
  • Publication Date: 2020-3

Language

  • German

Media Info

  • Media Type: Print
  • Features: Tables;
  • Pagination: pp 79ff&66ff&362ff
  • Serial:
    • Bauingenieur
    • Volume: 95
    • Issue Number: 3&5&10
    • Publisher: Springer-VDI-Verlag GmbH
    • ISSN: 0005-6650

Subject/Index Terms

Filing Info

  • Accession Number: 01776817
  • Record Type: Publication
  • Source Agency: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
  • Files: ITRD
  • Created Date: Jul 28 2020 5:24AM