Engineering Design mit CFK für den Brückenbau 9 ... · PDF file 1 Engineering Design...

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  • 1

    Engineering Design mit CFK

    für den Brückenbau

    9. Innovation Day CFK im Bauwesen

    in Stade, CFK Nord

    25. Juni 2015

    Prof. Dr.-Ing. Wilm F. Unckenbold

  • 2

    Gliederung

    1. Eigenschaften von CFK

    2. Pionierbrücke aus CFK

    Engineering Design mit CFK

    für den Brückenbau

    Prof. Dr.-Ing. Wilm F. Unckenbold

  • 33

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    CFK im Vergleich zu Stahl und Aluminium

    Bildquelle: CFK-Valley Stade

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    Stahl

    Aluminium

    CFK

    Gewichtsspezifische

    Steifigkeit

    Gewichtsspezifische

    Festigkeit

    Gewichtsspezifische

    Energieaufnahme

    Restfestigkeit nach

    Ermüdung

    Dämpfung

  • 44

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Bildquelle: Flemming

    Polymere Matrixwerkstoffe: Duroplaste (räumlich vernetzte Moleküle)

    Epoxidharze

    Dichte r: 1.100 - 1.140 [ kg/m³ ]

    Elastizitätsmodul (E-Modul) E: 3,0 - 6,0 [ GPa ]

    Zugfestigkeit sm: 30 - 100 [ MPa ]

    Bruchdehnung eB: 1,0 - 6,0 [ % ]

    Wärmeausdehnungskoeffizient a: 60 [ 10 -6

    m/mK ]

    Glasübergangstemperatur TG: 50 - 250 [ °C ]

    Dichte r: 1.200 - 1.300 [ kg/m³ ]

    Elastizitätsmodul (E-Modul) E: 3,0 - 4,2 [ GPa ]

    Zugfestigkeit sm: 40 - 70 [ MPa ]

    Bruchdehnung eB: 1,5 - 4,0 [ % ]

    Wärmeausdehnungskoeffizient a: 80 - 150 [ 10 -6

    m/mK ]

    Glasübergangstemperatur TG: 70 - 120 [ °C ]

    Ungesättigte Polyesterharze

    Amorphe Struktur

  • 55

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Bildquelle: Flemming

    Polymere Matrixwerkstoffe: Thermoplaste (lineare Kettenmoleküle)

    Amorphe Struktur Teilkristalline Struktur

    r [ kg/m³ ] E [ GPa ] sm [ MPa ] eB [ % ] a [ 10 -6

    m/mK ] TS [ °C ]

    Polyethylen (PE-LD) 920 0,21 8,0 - 15,0 ≈ 600 170 105 - 110

    Polypropylen (PP) 910 1,0 - 1,6 30 - 33 800 100 - 200 160 - 165

    Polyamid 66 (PA66), Nylon 1.140 1,5 - 2,0 63 - 65 60 - 300 80 255

    Polycarbonat (PC) 1.220 2,15 - 2,3 65 - 69 98 65 220 - 260

    Polyetheretherketon (PEEK) 1.320 3,0 - 3,6 95 - 97 > 60 % 47 - 50 335

    TS = Kristallit-Schmelzbereich

  • 66

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Viskoelastisches Werkstoffverhalten der Kunststoffe (BURGERS-Modell)

    Das rheologische Spannungs-Dehnungsverhalten des Burgers-Modells ergibt sich aus einer

    Reihenschaltung von Maxwell-Modell und Voigt-Kelvin-Modell.

    s

    eel1

    E1

    2

    s

    evis2 e

    1

    evis1

    eel2

    E2

    Bildquelle: Niederstadt

  • 77

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Geschwindigkeitsabhängiges Werkstoffverhalten der Kunststoffe (qualitativ)

    3 E

    E

    Langzeit

    pactIm 

  • 88

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Faserwerkstoffe

    WERKSTOFF

    Stahl

    (z.B. S235JR, CrNiMoV-Stähle)

    Kohlenstofffaser

    (z.B. HT, HM, IMS, UHM) *)

    Glasfaser

    ( z.B. E-Glas, R- oder S-Glas)

    Aramidfaser

    (z.B. Kevlar 29, Kevlar 149)

    Polyethylenfaser

    (z.B. Dyneema SK60 / 76)

    Basaltfaser

    (z.B. ASA.TEC Forte, Asglabas)

    Flachsfaser

    Ramiefaser

    Cellulosefaser

    (z.B. Lyocell-Filamentgarn)

    Festigkeit s

    [ GPa ]

    0,4 bis 2,4 195 bis 210

    Elastizitätsmodul E

    [ GPa ]

    7.850 bis 8.000

    Dichte r

    [ kg/m³ ]

    sspez

    [ km ]

    5,2 bis 30,6

    Espez

    [ km ]

    2.532 bis 2.676

    2,3 bis 6,4 230 bis 935 1.750 bis 2.200 134,0 bis 372,8 13.397 bis 43.323

    3,5 bis 4,8 72 bis 90 2.500 bis 2.600 142,7 bis 195,7 2.936 bis 3.529

    2,9

    2,7

    3,7

    0,45

    bis

    bis

    bis

    bis

    5

    16

    3,6

    3,6

    4,8

    0,8

    1,05

    0,45 bis 0,63

    0,6 bis bis

    bis

    58

    89

    bis

    bis

    bis

    bis

    87

    8

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    145,1

    32,1

    40,8

    30,6

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    bis

    1.400

    970

    2.600

    1.430

    1.500

    1.500

    211,2

    283,7

    340

    1.087

    262,1

    378,3

    4.223

    9.353

    3.411

    570

    71,4

    42,8

    30

    18

    1.500

    1.500

    bis

    bis

    186

    116

    188,2

    57,0

    1.500

    970

    2.800

    1.520

    110

    45

    2.039

    1.223

    12.640

    12.190

    4.005

    3.018

  • 99

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Richtwerte für richtungsabhängige Eigenschaften der Fasern

    Faser r EII E nII nII G# sBII eB aII a

    [ kg/m³ ] [ GPa ] [ GPa ] [ -- ] [ -- ] [ GPa ] [ MPa ] [ -- ] [ 10 -6

    /K ] [ 10 -6

    /K ]

    E - Glas 2.550 74 74 0,18 0,18 31 2.000 -

    2.500 2,0 5,3 5,3

    Aramid 1.440 130 5,4 0,3 0,016 12 2.800 -

    3.000 2,1 -6,0 17,0

    C - Faser HT 1.760 240 16 0,23 0,016 20 3.600 1,5 -0,5 6,8

    C - Faser HM 1.960 500 5,7 0,1 - 0,15 0,0044 17,8 1.800 -

    2.400 0,35 -1,5 30,0

    Naturfaser 1.500 24 900 2,5

    Quelle: Niederstadt

  • 1010

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Eigenschaften von UD-Laminaten in Abhängigkeit vom Faservolumenanteil j

    0,0

    100,0

    200,0

    300,0

    400,0

    500,0

    600,0

    700,0

    800,0

    900,0

    0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0

    Faservolumenanteil phi [ % ]

    E la

    s ti

    z it

    ä ts

    m o

    d u

    l [

    G P

    a ]

    CFK-HT CFK-HM CFK-UHM GFK-E Aluminium Titan Stahl

    Fertigungstechnisch relevant

  • 1111

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Polardiagramme von UD-Laminaten mit HT-Kohlenstofffasern (T400 / EP-Harz)

    EUD0° = 139 GPa

    EUD90° = 139 GPa

    A: 28 GPa B: 56 GPa C: 84 GPa D: 112 GPa E: 140 GPa

    270°

    90°

    180°

    E0°/90° = 73 GPa E+45°/-45° = 73 GPa

    E0/90/+45°/-45° = 53 GPa

    A B C D E

  • 1212

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Qualitatives Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Metallen und Faserverbundwerkstoffen:

    e

    s CFK

    Metall

    Im Gegensatz zu den meisten metallischen Werkstoffen verhält sich endlosfaserverstärktes

    CFK nahezu linear-elastisch bis zum Bruch.

  • 1313

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Festigkeit von CFK-Laminaten in 0°-Richtung (Anhaltswerte)

    Basis: CFK-Laminate, HT-Fasern (EF = 240 GPa), Faservolumengehalt j = 60 %

  • 1414

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Ermüdungsfestigkeit von Laminaten unter Schwellbeanspruchung in Faserrichtung

    (Spannungsverhältnis R = 0, UD on-axis)

    0,0

    20,0

    40,0

    60,0

    80,0

    100,0

    120,0

    1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07

    Bruchlastspielzahl NB [ -- ]

    B e z o

    g e n

    e F

    e s ti

    g k e it

    [ %

    ]

    CFK-HM

    CFK-HT

    GFK-E

    EP

    In Anlehnung an: Moser

  • 1515

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Ermüdungsfestigkeit von vorgeschädigten Laminaten:

    Quelle: Degenhardt, Nichtlineare Methoden der Strukturauslegung – Nichtlineares Materialverhalten

  • 1616

    Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

    Wärmeausdehnungskoeffizienten von [ 0 / ±45 / 90 ] CFK-Laminaten im Vergleich zu Metallen

    30

    20

    10

    0

    -5

    10-6. K-1

    0 20 40 60 80 100%

    W ä

    rm ea

    u sd

    e h

    n u

    n g

    sk o

    e ff

    iz ie

    n t a

    T

    + 450 - Schichtanteil

    30% C-Fasern 00

    +450C-Fasern

    C-Fasern 900 30%

    30%

    100%

    Beispiel: 3 - schichtiges Laminat

    Aluminium

    Titan Stahl

    Invar

    100 % 00 - Schichtanteil

    80 %

    60 %

    40 %

    20 %

    0 %

    j = 60 Vol. %

    40%

    Quelle: Niederstadt

  • 1717

    Auslegungsphilosophie

    Stoffgesetz für mehrschichtige Laminate:

    Kopplungseffekte treten insbesondere bei unsymmetrischem Laminataufbau auf.

           

           

    e

    e

    e

           

           

          