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Alles klebt – Stahl auch.

Neue Technologien – Neue Möglichkeiten.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer

KIT Stahl- und Leichtbau | Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine | Leitung: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer

2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer Vpi Arbeitstagung Baden-Baden 25. Juni 2016

Fügeverfahren Kleben Structural Glazing

Verstärkung und Sanierung Entwicklung neuer Verbindungen


Verbindung zweier Bauteile unter Verwendung eines Klebstoffs

Kohäsion: innere Festigkeit des Klebstoffs

Adhäsion: Verbindung des Klebstoffs mit dem Fügeteilpartner

Fügeverfahren Kleben

Bildquelle: S-I-Z; Paul-Ludwig Geiß


keine Querschnittsschwächung durch Schraubenlöcher

kein lokaler Energieeintrag (im Gegensatz zum Schweißen)

keine Schweißverzüge, keine Schweißeigenspannungen

gleichmäßiger Lasteintrag in Fügeteile

hohe Verbindungssteifigkeit

Dickschichtklebungen erlauben Toleranzausgleich

Realisierbarkeit hocheffizienter Leichtbaukonstruktionen

Nutzung des Potentials hochfester Werkstoffe

Fügen verschiedener Werkstoffe (hybride Konstruktionen)

Multifunktionalität (Lastabtrag / Dichtung / Dämpfung…)

Fügeverfahren Kleben – Vorteile


Klebstoffe – Einteilung nach dem Aushärtemechanismus


Einflussfaktoren auf das mechanische Verhalten

einer Klebverbindung

Mechanisches

Verhalten von

Klebverbindungen

Temperatur

Feuchtigkeit

Medien

Klebstoff,

Fügeteilwerkstoff,

Oberflächenvorbehandlung,

Adhäsion

Beanspruchungs-

zustand ,

Zeit t:

- Dauerlast

- Alterung

Fertigungs-

prozess

Geometrie:

- Klebfugengeometrie

- Imperfektionen

1

1

2

2


Brückenbau

Erste Entwicklungen und Untersuchungen seit den 50er Jahren

Beispiel: Rohrbrücke über den Lippe-Seitenkanal (1956)

Ausführung vorgespannt geklebter Laschen und vorgespannt geklebter

Längs- und Querträger

Konkurrenz durch Schweißen

Wo wird (heute) im Stahlbau geklebt?

Bildquelle: Dörnen, A.; Trittler, G. (1956): Neue Verbindungstechnik im Stahlbau. In: Der Stahlbau 25 (8), S. 181–184.


Einzelne Pilotprojekte: Brücke über die B3a bei Friedberg, Hessen

Kombination von Stahlträgern und aufgeklebter GFK-Fahrbahn

Bildquelle: Fiberline

Composites

Wo wird heute im Stahlbau geklebt?


Fassadenbau

Einzelanwendungen

Beispiel: Guggenheimmuseum Bilbao

Titanblechverkleidung mit Zweikomponenten Silikonklebstoff befestigt


Quelle: tripadvisor


Glasfassadenbau: Structural Glazing

Verbindung metallischer Adapterrahmen und Verglasungseinheiten

mit Hilfe von Dickschichtklebungen

(Bild: Fa. Kömmerling)



Geregelt über europäisch technische Zulassungen

(ETA - European Technical Approval)

Zulassungsleitlinie ETAG 002

Definierte konstruktive Randbedingungen

Structural Glazing - Stand der Technik

Mechanische Abtragung des Eigengewichtes

Typ I Typ II Typ III Typ IV


Moderne Stahl-Glas-Konstruktionen weichen oft von den konstruktiven

Rahmenbedingungen bzw. Vorgaben der ETAG 002 ab

Problemstellung

Apple Flagship Store, 5th Avenue, New York


Projektübersicht FOSTA P 1052

P1052

Arbeitspaket 6:

Simulation

Arbeitspaket 4:

Alterung

Arbeitspaket 3:

Kurzzeit

Arbeitspaket 2:

Werkstoffe & Oberflächen

Arbeitspaket 1:

Einwirkungen

Arbeitspaket 7:

Bemessung

Arbeitspaket 5:

Langzeit

P 1052

Structural Glazing


Substratwerkstoffe

nichtrostender Stahl 1.4301 Oberfläche 2B

Kalk-Natron Silikatglas (Float)

Probekörper

fugenähnliche H-Proben (Länge l = 100 mm)

vier verschiedene Fugenquerschnitte

Kurzzeituntersuchungen

Floatglasnichtrostender Stahl

Trägerprofil



Querschnitte 2K Silikone

Höhe / Breite = ETAG

12 mm x 12 mm

6 mm x 12 mm 6 mm x 24 mm

12 mm x 24 mm 2 mm x 19 mm 2 mm x 25 mm

Querschnitte Haftklebeband


Schrägzugversuche | Einfluss der Fugengeometrie | Klebstoff Sikasil SG550

0,0

0,5

1,0

1,5

0,0 25,0 50,0 75,0 100,0

Sp

an

nu

ng

[M

Pa

]

Dehnung [%]

0,0

0,5

1,0

1,5

0,0 1,0 2,0 3,0

Sp

an

nu

ng

[M

Pa

]

Gleitung [-]


0,0

0,5

1,0

1,5

0,0 50,0 100,0 150,0

No

rma

l-/S

ch

ub

sp

an

nu

ng

[M

Pa

]

Dehnung / Gleitung [%]

12x6 24x6 24x1212x12


Spannungsinteraktion: Mittelwerte der Spannungskomponenten

12x6 24x6

24x1212x12


0,00

0,50

1,00

1,50

0,00 0,50 1,00 1,50

Sc

hu

bs

pa

nn

un

g [M

Pa

]

Normalspannung [MPa]

Geometrie A

Geometrie B

Geometrie C

Geometrie D

Sikasil SG550

TESA ACX 7078

Exemplarische Bruchbilder


Durchgeführte Untersuchungen

Versuche zur Materialcharakterisierung

Versuche an Kleinbauteilprobekörpern

Zugversuche an verstärkten Bauteilen

Biegeversuche an verstärkten Quadrathohlprofilen

Grundlagen zum Kleben von CFK-Lamellen im Stahlbau liegen nun vor

Erweiterung auf Ermüdungsbeanspruchung wünschenswert

unverstärkt1 Lamelle

außen

2 Lamellen

außen

1 Lamelle

außen und

innen

2 Lamellen

innen3 Lamellen

innen

Sanierung und ErtüchtigungSTAKOK - Systematische Untersuchungen zur Verstärkung von Stahlkonstruktionen

mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK)(abgeschlossenes AiF Projekt: 2013-2015)


Sanierung und ErtüchtigungFASS - Einsatz von geklebten Kohlestoff-Faserverbundwerkstoffen zur Sanierung

ermüdungsgeschädigter Stahlkonstruktionen (AiF Projekt: seit Februar 2016)

Erarbeitung eines Sanierungs-

konzepts für Stahlkonstruktionen

durch aufgeklebte CFK-Werkstoffe

Verlängerung der

Restlebensdauer

Effiziente Alternative zu bisher

üblichen Sanierungsmaßnahmen

Sanierung

angerissener

Schweißnähte

Bremsen des Rissfortschritts bei

bestehenden Stahlkonstruktionen

Forschungsziele


Zielstellung

Entwicklung einer geklebten Verbindung zum Anschluss von Hohlprofilen an

Gussbauteile im konstruktiven Stahlbau

Konzept:

Entwicklung neuer VerbindungenGeklebte Stahl-Stahlguss-Knoten bei Hohlprofilfachwerken FOSTA P 884


Anwendungsgebiete:

Hochbau, Brückenbau, Kranbau, Windenergieanlagenbau

Anwendungsbeispiel:

Talbrücke St. Kilian

Ausgangssituation

Detail: Gussknoten

Bild: V&M

Bild: © Störfix



der Klebverbindung

Mechanisches

Verhalten von

Klebverbindungen

Temperatur

Feuchtigkeit

Medien

Klebstoff,

Fügeteilwerkstoff,


Adhäsion

Beanspruchungs-

zustand ,

Zeit t:

- Dauerlast

- Alterung

Fertigungs-

prozess

Geometrie:


- Imperfektionen

1

1

2

2


Untersuchungen an drei Klebstoffen

Adhäsion auf Stahlguss G20Mn5

XPS: Oberfläche unkritisch in definiertem Zustand

Verbundproben: hohe Festigkeit

Versuche an Substanzproben

Prüfung E-Modul und Dehnvermögen

Oberflächenvorbehandlung:

- hohe Festigkeiten auf korundgestrahlten Oberflächen

- übliche Korrosionsschutzsysteme versagen

1K EP Pulverbeschichtung weist hohe Festigkeit

und gute Korrosionsbeständigkeit auf

Zugscherprüfungen bei RT, Dickschichtklebungen,

67°C und nach Alterung

Zugscherfestigkeit > 10 MPa

Klebstoffauswahl und -charakterisierung


Glasübergangstemperatur durch DMA

erlaubt Charakterisierung des viskoelastischen

Verhaltens über einen größeren Temperaturbereich

Kriechbeständigkeit von Verbundproben

Versuchsdauer 25.000 Std. / Dauerlast 0,5 – 2,0 MPa

zwei Klebstoffe stellen sich als kriecharm heraus

Klebstoffauswahl und -charakterisierung

-50 0 50 100 150

10

100

1000

10000

79,3°C

Spe

iche

rmod

ul [M

Pa]

Temperatur [°C]

Verl

ustm

od

ul [M

Pa]

0

100

200

300

400

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Klebstoff

PUR

Verl

ustfa

kto

r ta

n

Herausforderung:

Klebstoff mit

thermomechanischer

Beständigkeit über einen

großen Temperaturbereich

Ergebnis:

Vorqualifizierung von drei

Klebstoffen mit TG > 80°C



der Klebverbindung

Mechanisches

Verhalten von

Klebverbindungen

Temperatur

Feuchtigkeit

Medien

Klebstoff,

Fügeteilwerkstoff,


Adhäsion

Beanspruchungs-

zustand ,

Zeit t:

- Dauerlast

- Alterung

Fertigungs-

prozess

Geometrie:


- Imperfektionen

1

1

2

2


Fertigungsprozess

Untersuchung des Klebstoff-Injektionsvorgangs

CFD-Simulation des Füllvorgangs

Problemdetektion

Füllversuche an Plexiglasrohren

Innovation: Fugenabdichtung durch

poröses Weichschaumfugenband


Fertigungsprozess

Entwicklung einer teilautomatisierten Fertigungsvorrichtung

Erprobung von Fertigungskonzept und Fertigungsvorrichtung an

einem Musterbauteil

Stahl-Stahlgussknoten-IFAM-Fertigung-kurz-logo.avi

Stahl-Stahlgussknoten-IFAM-Fertigung-kurz-logo.avi


1. Montage der Fügevorrichtung 2. Reinigung der Klebflächen 3. Applikation Fugendichtband

4. Aufsetzen und Zentrieren des

(Plexiglas-) Rohres

5. Einstellen des Klebstoff-

gebindes in den Druckbehälter

6. Klebstoffinjektion

Fertigungsprozess



der Klebverbindung

Mechanisches

Verhalten von

Klebverbindungen

Temperatur

Feuchtigkeit

Medien

Klebstoff,

Fügeteilwerkstoff,


Adhäsion

Beanspruchungs-

zustand ,

Zeit t:

- Dauerlast

- Alterung

Fertigungs-

prozess

Geometrie:


- Imperfektionen

1

1

2

2


Statische Zugversuche an geklebten Verbindungen

Variation Hohlprofildurchmesser 42,5 - 298,0 mm

Variation Klebspaltdicke 2,5 - 6,4 mm

Variation der Überlappungslänge: 27 - 110 mm

Prüfung bei RT / -24 °C / +67 °C / nach Alterung

Prüfung von korundgestrahlten und Epoxid-

beschichteten Rohroberflächen

Einfluss von planmäßig eingebrachten Imperfektionen:

Ausmitte der Schwerelinien / Schiefstellung

Statische Biegeversuche

Ermüdungsversuche

Tragfähigkeit geklebter Kreishohlprofile


Einfluss geometrischer Imperfektionen

a

KHP-Konfiguration A KHP-Konfiguration B KHP-Konfiguration C

nominellerKlebspalt 2,8 mm



KHPD/t: 60,3 / 6,5

KHPD/t: 42,4 / 5,0

KHPD/t: 70,0 / 8,0

KHPD/t: 42,4 / 5,0

KHPD/t: 114,3 / 3,6

KHPD/t: 101,6 / 3,6

Lü,i = 22,5 / 45,0 / 67,5 mm Lü = 23,5 mm Lü = 27,0 mm

0

5

10

15

20

25

30

Ne

nn

sch

ub

sp

an

ung

[M

Pa

]

Referenz Ausmitte0,2·sk

Ausmitte0,5·sk

Schiefstellung0,75°

Schiefstellung1,50°

Klebstoff PUR

Tragfähigkeit geklebter KHP-Verbindungen


Bauteildimensionen

Klebspaltlänge = 110mm



Herstellung Prüfung in 3 MN-Maschine



Exemplarischer Großbauteilversuch

Auswertung aller Großbauteilversuche

Bruchlasten:

Fmax = 1.739 - 1.965 kN

Ausnutzung des Stahlhohlprofils

Ausnutzungsgrad: 74%

bei Überlappung: 110mm

Vollplastische Tragfähigkeit

bei Überlappung > 150 mm

110m

m

Verbundschubfestigkeit:

MW = 19,8 MPa 1,0 MPa


D/t = 298,5 / 12,5 ; S235

0 5x10-2

1x10-1

0

500

1000

1500

2000

Kra

ft [kN

]

Längenänderung [mm]


Projektergebnisse

Entwicklung einer leistungsfähigen Klebverbindung für den Stahlbau

Geklebte Verbindungen zwischen Stahlguss- und Stahlrohren sind

prozesssicher und mit reproduzierbarer Tragfähigkeit klebtechnisch

herstellbar

Problemstellungen und Herausforderungen

Reduzierung der Verbindungsfestigkeit mit zunehmender Klebschichtdicke:

z.B. 25 % Reduktion der Festigkeit bei s = 2,5 mm 5,8 mm

Hohe Materialkosten bei den im Bauwesen erforderlichen Klebstoffmengen

Herausforderung: Kleben auf der Baustelle


Organische Dünnschichtklebung mit

eingebundenem anorganischem

GranulatVerguss-

mörtel

Innovation: Hybride Klebverbindung

Internationale Patentanmeldung durch das KIT

Klebspaltdicke bis zu mehreren Zentimetern

Ausgleich von Imperfektionen


Reinigung der Fügeflächen

Applikation einer dünnen organischen Klebstoffschicht

z.B. 2-K Epoxidharzklebstoff

Einstreuen eines anorganischen Granulats mit definierter Sieblinie in die noch

nicht erhärtete Klebstoffschicht

Fertigung der Hybridklebung


Variation der anorganischen Partikel

Ausrichten der zu verbindenden Bauteile

Verfüllung des Fügespaltes mit handelsüblichem Vergussmörtel

Fertigung der Hybridklebung

Quarzsand

(d < 0,8mm)

Granitsplit

(1,0mm < d < 2,0mm) Korund

(d < 0,15mm)


Probekörper / Exemplarische Last-Verformungskurven

Tragverhalten der hybriden Klebverbindung

45

mm

Spaltmaß:

17 mm

KH

P

D/t

76,1

/4,0

KH

P

D/t

33,7

/4,0

0

20

40

60

80

100

120

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Kra

ft [kN

]

Lokalverformung [mm]

Hybridklebung

übliche Grout-Verbindung

10x VW Polo

(Leergewicht ca. 1 to)


Tragfähigkeit der hybriden Klebverbindung

Ergebnisse der Zugversuche an hybrid geklebten

Kreishohlprofilverbindungen10,2

104,6

111,4

111,0

12,5

106,9

110,6

110,9

15,0

109,1

111,6

109,5

0

20

40

60

80

100

120

Bru

ch

las

t [k

N]

EP + Quarzsand

EP + Granitsplit

EP + Korund

gestrahlteFügeteile

23,0 MPa

bisherige

Kleb-

verbindung


Hohe Tragfähigkeit bei statischer und zyklischer Beanspruchung

Verbundschubfestigkeit bei statischer Beanspruchung 20 - 50 MPa

Bisher kein Ermüdungsversagen der Verbindung festgestellt

Äußerst geringe Streuung der Traglasten

Variationskoeffizient 2 %

Hohe Fertigungssicherheit- und Qualität durch Herstellung der

organischen Dünnschichtklebungen abseits der Baustelle

Erhebliche Kosteneinsparung durch die Verwendung von

Vergussmörtel

Ausgleich von Fertigungs- und Montagetoleranzen durch große

Klebspalte (im Bereich von Zentimetern)

Kein schädlicher Wärmeeintrag (Schweißen), keine Reduzierung

des Bauteilquerschnittes durch Schraubenlöcher

flächiger Lasteintrag

Vorteile der hybriden Klebverbindung


Industrieinitiiertes Projekt FOSTA : Entwicklung geklebter

Stahlfachwerke für Offshore-Windenergieanlagen

Bild: R. Surma, Weserwind

1) vor der Montage 2) Montage der Bauteile

3) Fügen der Teilschalen,

z.B. Schrauben, Schweißen

4) Kleben durch

Spaltfüllung


Umsetzung in technische Regelwerke

Durchsetzung in Bauprojekten bei öffentlichen Bauherren

und Bedarfsträgern

Zukunftsaufgabe:

Umsetzung und Durchsetzung

Zukunftsaufgabe: Lösung technischer Fragestellungen

Langzeitbeständigkeit und Alterung

Entwicklung geeigneter Bemessungskonzepte für das Kleben im Bauwesen

Entwicklung klebgerechter Konstruktionen und Anschlüsse

Peace Bridge Calatrava, CalgarySteinbogenbrücke, Verzascatal Stahlbogenbrücke, England

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Neue Technologien – Neue Möglichkeiten.

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