Entwicklung momententragfähiger Eckverbindungen für pultrudierte GFK-Profile

Abstract

Stabtragwerke können durch den Einsatz von momententragfähigen Anschlüssen effizienter gestaltet werden, da die Momente im Tragwerk gleichmäßiger verteilt werden. Dadurch können Material, Eigengewicht und Kosten eingespart werden. Im Stahl-, Holz- und Stahlbetonbau ist es Stand der Technik, biegesteife Anschlüsse zu verwenden. Diese normativ geregelten biegesteifen Anschlüsse haben für die Baustatik den Vorteil, dass die Steifigkeit des Anschlusses nicht berechnet werden muss. Der Anschluss muss nur für das resultierende Moment nachgewiesen werden. Für diese ökonomische Bauweise gibt es im Bauwesen für Halbzeuge aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) derzeit generell keine normative Grundlage. Für Halbzeuge aus FKV werden im Bauwesen i.d.R. Glasfasern verwendet. Für diese glasfaserverstärkten Kunststoffprofile (GFK-Profile) existieren Anwendungsregeln für gelenkige Verbindungen, aber nicht für momententragfähige bzw. biegesteife Verbindungen und genau hier setzt diese Arbeit an. Es werden momententragfähige, rechtwinklige Eckverbindungen mit GFK-Profilen für Stütze und Riegel untersucht. Die GFK-Profile weisen die meisten Fasern in Richtung der Stabachse auf. Der Kunststoff schützt die Fasern nur vor Umwelteinflüssen und stabilisiert sie gegen Knicken, die Kräfte werden jedoch von den Fasern aufgenommen. Daher muss die Kraft von den Fasern über Verbindungsmittel und Fügebauteile in die Fasern des anderen Bauteils geleitet werden. Folglich muss die Kraft über eine geringere Anzahl von Querfasern der Profile in das Verbindungsmittel eingeleitet werden. Dies wirkt sich in erster Linie auf das aufnehmbare Moment aus. Aber auch die Rotation der Eckverbindung muss gering gehalten werden und dies bei einem ca. 12-fach geringeren E-Modul von GFK-Profilen im Vergleich zu Stahlprofilen. Im Stahlbau gibt es die Möglichkeit, eine Verbindung nach ihrer Steifigkeit zu klassifizieren. Für GFK-Profile gibt es jedoch keine Ansätze. Auf der Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche werden in der vorliegenden Arbeit Eckverbindungsvarianten für die beiden im Bauwesen häufig verwendeten Profilquerschnitte Hohlkasten- und Doppel-T-Querschnitte entwickelt. Die Varianten werden für querschnittsgleiche Stützen und Riegel entwickelt, wobei die Stütze nicht über den Riegel hinausragt (L-förmige Verbindung). Als Fügebauteile werden Stahlbleche verwendet, da aufgrund der Isotropie des Materials einer sich ständig ändernden Kraftrichtung immer gleiche Werkstoffeigenschaften gegenüberstehen. Bei den Varianten mit Hohlkastenprofilen werden Selbstbohrschrauben (SBS) zur Verbindung der Profile mit den Stahlblechen eingesetzt. SBS haben den Vorteil, dass sie nicht vorgebohrt werden müssen und im Gegensatz zu Stahlbauschrauben keine Mutter aufgesetzt werden muss. Dies wäre bei den Hohlkastenprofilen problematisch gewesen, da bei der Verbindung des zweiten Profils mit dem Fügebauteil nicht in das Profil eingegriffen werden kann. Die Varianten mit Doppel-T-Profilen werden mit Stahlbauschrauben entwickelt, da hier die Problematik mit der Mutter nicht besteht und die Klemmdicke der zu verbindenden Bauteile für SBS zu groß war. In Anlehnung an die Stahlbaunormung und die Anwendungsregeln für GFK werden die Verbindungen für eine möglichst hohe Biegetragfähigkeit ausgelegt, so dass ein Versagen möglichst im GFK-Profil außerhalb der Verbindungsmittel auftritt. Die entwickelten Eckverbindungen werden experimentell im Maßstab 1:1 auf ihr Momenten-Rotations-Verhalten untersucht. Die Ergebnisse werden mit der rechnerischen Momententragfähigkeit verglichen und anhand der aufgetretenen Schäden auf Plausibilität überprüft. Die Ergebnisse dienen der anschließenden Verifizierung der numerischen Modelle. Diese Modelle werden mit der Finite-Elemente- Methode mit dem Programm ANSYS untersucht. Zur Abbildung des GFK werden anstelle der klassischen Laminattheorie ein elastisch-plastisches Materialgesetz verwendet. Dadurch werden deutlich weniger Materialparameter benötigt, die sonst entweder aufwändig experimentell ermittelt oder angenommen werden müssten. Die Momenten-Rotations-Charakteristik der Eckverbindungen können hinreichend genau abgebildet werden. In einem weiteren Schritt werden die Eckverbindungen mit einem Voutenblech ergänzt und numerisch untersucht. Die Steifigkeit der Verbindungen kann bei einigen Varianten deutlich gesteigert werden. Die Klassifizierung der Eckverbindungen nach ihrer Steifigkeit erfolgt nach den Regeln des Stahlbaus. Die Anwendbarkeit wird belegt, indem in der numerischen Simulation das Material der Profile von GFK auf Stahl geändert wird. Für die Varianten mit GFK-Hohlkastenprofilen wird ein modifizierter Ansatz zur Klassifizierung nach der Steifigkeit vorgeschlagen.

Linear structural elements can be designed more efficiently by using rigid connections, as the moments in the structure are distributed more evenly. This can save material, dead weight and costs. In steel, timber and reinforced concrete structures, it is state of the art to use rigid connections. These standardised connections have the advantage for structural analysis that the stiffness of the connection does not have to be calculated. The connection only has to be checked for the resulting moment. At present, there is generally no normative basis for this economical construction method in the building industry for semi-finished products made of fibre-reinforced plastic composites (FRP). Glass fibres are generally used for semi-finished products made of FRP in the construction industry. For these glass-fibre reinforced plastic profiles (GRP profiles), application rules exist for hinged connections, but not for rigid connections, and this is exactly where this work starts. Moment-bearing, right-angled corner connections with GRP profiles for columns and transoms are to be investigated. The GRP profiles have most of the fibres in the direction of the bar axis. The plastic only protects the fibres from environmental influences and stabilises them against buckling, but the forces are absorbed by the fibres. Therefore, the force must be transferred from the fibres to the fibres of the other component via connecting means and joining components. Consequently, the force must be introduced into the lanyard via a smaller number of transverse fibres of the profiles. This primarily affects the moment bearing capacity. But the rotation of the corner joint must also be kept low and this with an E-modulus of GRP profiles that is approx. 12 times lower than that of steel profiles. In steel structures, it is possible to classify a connection according to its stiffness. However, there are no approaches for GRP profiles. Based on an extensive literature research, corner connection variants are developed in the present work for the two profile cross-sections frequently used in the building industry, hollow box and double-T cross-sections. The variants are developed for columns and ledgers with the same cross-section, whereby the column does not project beyond the ledger (L-shaped connection). Steel plates are used as joining components, since due to the isotropy of the material, a constantly changing direction of force is always opposed by the same material properties. In the variants with box girder profiles, self-tapping screws (SBS) are used to connect the profiles to the steel plates. SBS have the advantage that they do not have to be pre-drilled and, in contrast to steel structures screws, no nut has to be put on. This would have been problematic with the box girder profiles, as it is not possible to interfere with the profile when connecting the second profile to the joining component. The variants with double-T profiles were developed with structural steel bolts, avoiding the problem with the nut and the restricted clamping thickness of the components joined by SBS. Following the steel construction standard and the application rules for GRP, the connections were designed for the highest possible bending load capacity, so that failure occurs in the GRP profile outside the fasteners, if possible. The developed corner connections were examined experimentally on a scale of 1:1 for their moment-rotation behaviour. The results were compared with the calculated moment capacity and checked for plausibility based on the damage that occurred. The results were used for the subsequent verification of the numerical models. These models were examined using the finite element method with the ANSYS programme. To represent the GRP, an elastic-plastic material law was used instead of the classical laminate theory. This meant that significantly fewer material parameters were required, which would otherwise either have to be determined experimentally at great expense or assumed. The moment-rotation characteristics of the corner joints could be mapped sufficiently accurately. In the last step, the corner connections were supplemented with a cove plate and numerically investigated. The stiffness of the connections could be significantly increased for some variants. The classification of the corner connections according to their stiffness was carried out according to the rules of steel construction. The applicability was proven by changing the material of the profiles from GRP to steel in the numerical simulation. For the variants with GRP box girder profiles, a modified approach to classification according to stiffness was proposed.