Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Strukturelle Klebstoffe, Brückenbau, Materialeigenschaften, Dauerhaftigkeit
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Structural Adhesives, Bridges, Material Properties, Durability
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Im Brückenbau besteht eine Vielzahl möglicher Anwendungen von strukturellen und semi-strukturellen Klebeverbindungen, die insbesondere im Rahmen von Instandsetzungen im Hinblick auf kurze Bauzeiten interessant erscheinen. Mögliche Anwendungen sind das Aufkleben von Fahrbahnplatten, Verstärkungs-elementen, Leiteinrichtungen, Brüstungen oder Fahrbahnübergängen. Das Fügen unterschiedlicher Materialien wird stark vereinfacht und aufwändige Verankerungen von neuen Elementen in altem Konstruktionsbeton können entfallen.
Strukturelle Klebeverbindungen werden im Brückenbau seit über 50 Jahren verwendet. Beispiele sind Stossfugen von Segmentbrücken, Klebeverbindungen zwischen Stahlbeton-Fahrbahnplatten und Stahlträgern, vorgespannte Klebeverbindungen für Stahlbrücken, sowie Tragwerksverstärkungen mittels aufgeklebten Stahl- oder Kohlefaserlamellen.
Trotz der bisher grundsätzlich positiven Erfahrungen mit Klebeverbindungen besteht hinsichtlich Charakterisierung und Dauerhaftigkeit von Klebstoffen ein erheblicher Forschungsbedarf. Im Bereich Charakterisierung ist nicht geregelt wie Mindestwerte der nichtlinearen Materialeigenschaften und Widerstandsbeiwerte für den Brückenbau ermittelt werden. Trotz der positiven praktischen Langzeiterfahrung fehlen systematische Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit in Abhängigkeit der langfristigen brückenspezifischen Expositionen.
Mittels experimentellen und analytischen Methoden wird das kurz- und langzeitige Materialverhalten von verschiedenen Klebstoffen untersucht. Folgende Resultate werden erwartet: 1) Vertiefte Kenntisse über das Kurz- und Langzeitverhalten von spröden und duktilen strukturellen Klebstoffen im Brückenbau,
2) Grundlagen für den Nachweis von Klebeverbindungen: Bestimmung von charakteristischen Werten, Angaben zu Widerstandsbeiwerten, Abminderungsfaktoren nach Expositionsklassen,
3) Empfehlungen zu möglichen Anwendungsbereichen von Klebeverbindungen, Klebstoffwahl, konstruktiver Ausbildung, erforderlichen Schutzmassnahmen, Applikation.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Many possibilities exist in bridge construction for the application of structural or semi-structural adhesive connections, such as the connection of bridge decks to the main girders, the application of strengthening elements, the fixation of crash barriers, parapets or expansion joints. The connection of different materials is simplified and complicated anchoring of new elements in existing concrete can be prevented.
Structural adhesive connections in bridge construction are used for more than 50 years. Examples are butt joints of segmental bridges, connections between concrete bridge decks and steel girders, prestressed connections for steel truss bridges as well as for the application of strengthening elements (steel or carbon strips) to existing bridges.
Despite the positive experiences with structural adhesive joints made to this day, a considerable need of research exists with regard to the characterization and durability of adhesive materials. Concerning material characterization, still no rules exist regarding the determination of minimum values of the nonlinear mechanical properties or material safety factors in bridge construction. Concerning the durability of adhesives, systematic investigations are still missing with regard to bridge specific environmental exposures. Within this project, the short and long term material behavior of several adhesive types is investigated using experimental and analytical methods. The following results are expected:
1) Knowledge about the short and long term behavior of brittle and ductile structural adhesives in bridge construction,
2) basic information for the design of adhesive connections: determination of the characteristic values, specification of material safety factors and reduction factors according to classes of exposure,
3) recommendations regarding possible applications of adhesive connections, choice of adhesive types, constructive detailing, required protection measures and application.
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Projektbeschreibung
(Deutsch)
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Projektbegründung
Basierend auf den gemachten Erfahrungen mit Klebeverbindungen besteht insbesondere in zwei Richtungen erheblicher Forschungsbedarf um die Anwendung der Klebetechnik im Baubereich und insbesondere im Brückenbau weiter zu fördern: Im Bereich Charakterisierung von Klebstoffeigenschaften sowie im Bereich Dauerhaftigkeit von Klebstoffen.
a) Charakterisierung von Klebstoffeigenschaften
Im Brückenbau fehlen auf der Materialseite wichtige Bemessungsgrundlagen für Klebeverbindungen. Es ist nicht geregelt, wie und nach welchen Standards Mindestwerte der nichtlinearen Materialeigenschaften und Widerstandsbeiwerte für den Brückenbau ermittelt werden müssen. Für die Bestimmung der Zugfestigkeit bestehen beispielsweise über 10 Normen (ISO 527, EN 2561, DIN 53455 / 53457 / 53504, ASTM D412 / 638 / 882 / 3039, EN 61, ISO 3268). Erfahrungen am CCLab haben gezeigt, dass die Klebstoffeigenschaften stark von der Belastungsgeschwindigkeit und vom viskoelastischen/plastischen Verhalten geprägt sind. Testverfahren müssen deshalb spezifiziert werden, die den brückenspezifischen Verhältnissen Rechnung tragen, um zuverlässige und realitätsnahe Bemessungsgrundlagen zu erhalten.
b) Dauerhaftigkeit
Die sich seit über 40 Jahren im Betrieb befindenden Brücken mit strukturellen Klebeverbindungen sowie die am CCLab erhaltenen sehr positiven Ergebnisse bezüglich Ermüdungsverhalten deuten auf eine gute Dauerhaftigkeit von Klebstoffen hin. Systematische Untersuchungen unter Umwelteinflüssen wie Temperatur und Feuchtigkeit sowie Ermüdungsbeanspruchung fehlen jedoch. Informationen über Abminderungsfaktoren von Materialeigenschaften in Abhängigkeit von langfristigen brückenspezifischen Expositionen fehlen. Hier besteht noch ein grosser Forschungsbedarf.
Erwartete praktische Resultate Mittels experimentellen und analytischen Methoden wird das kurz- und langzeitige Materialverhalten von verschiedenen Klebstoffen untersucht. Folgende Resultate werden erwartet:
1) Vertiefte Kenntnisse über das Kurz- und Langzeitverhalten von spröden und duktilen strukturellen Klebstoffen im Brückenbau,
2) Grundlagen für den Nachweis von Klebeverbindungen: Richtlinie zur Bestimmung von charakteristischen Werten von Klebstoffen, Angaben zu Widerstandsbeiwerten sowie Abminderungsfaktoren gegliedert nach Expositionsklassen,
3) Empfehlungen zu möglichen Anwendungsbereichen von Klebeverbindungen, Klebstoffwahl, konstruktiver Ausbildung, erforderlichen Schutzmassnahmen, Applikation.
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Methoden
(Deutsch)
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Folgende Methoden kommen zur Anwendung:
- Literaturrecherche
- Laborversuche, Modellierung von Stoffgesetzen,
- Theoretische Untersuchungen (bemessungsspezifische Arbeiten).
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Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
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Nicht erforderlich.
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Stand der eigenen Forschung
(Deutsch)
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Klebeverbindungen im Brückenbau
Aufgrund vieler Vorteile haben sich tragende (strukturelle) Klebeverbindungen in baufremden Bereichen wie Flugzeug-, Schiffs-, Fahrzeug- und Maschinenbau breit etabliert. Klebeverbindungen erlauben das einfache und schnelle Fügen von Bauteilen unterschiedlicher Materialien in geometrisch kompakten Verbindungen ohne Beeinträchtigung der zu verbindenden Bauteile.
Auch im Brückenbau werden bereits seit über 50 Jahren strukturelle Klebeverbindungen verwendet, allerdings nur in spezifischen Anwendungen. Eine der ersten Anwendungen sind Stossfugen von Segmentbrücken aus Spannbeton. Diese Fugen werden insbesondere auf Schub beansprucht. Die Vorspannung ist derart ausgelegt, dass die Fugen immer überdrückt sind. Weitere Anwendungen sind Klebeverbindungen zwischen vorfabrizierten Stahlbeton-Fahrbahnplatten und Stahlträgern. In Ostdeutschland wurden von 1968 bis 1992 sieben derartige Brücken mit Spannweiten von 15-32 m gebaut. Die Fahrbahnplatten wurden mit einer 5-15 mm dicken Epoxy-Klebeverbindung mit den Stahlträger-Oberflanschen verbunden. Die Hauptgründe für diese Klebeverbindungen waren eine schnelle Bauzeit und eine optimale Kraftübertragung zwischen Platten und Trägern (Hänsch und Krämer 1968, Fiedler 2001). Die Brücken sind nach über 40 Jahren noch immer in Betrieb.
Ebenfalls in Deutschland wurden in den Sechzigerjahren vorgespannte Klebeverbindungen (VK) für Stahlbrücken entwickelt (Trittler und Dörnen, 1964). Gegenüber reinen HV-Verbindungen wiesen die VK-Verbindungen eine bis zu 60% höhere Taglast und ein gutes Ermüdungsverhalten auf. Die VK-Verbindungen wurden als wirtschaftliche Lösung beurteilt, die auch im Hinblick auf den Korrosionsschutz eine Verbesserung gegenüber den HV-Verbindungen darstellt. Insgesamt wurden 15 Rohrleitungs-brücken mit 20 m Stützweite gebaut. Die Knoten der Fachwerkkonstruktionen wurden mit VK-Verbindungen ausgebildet. Neueste Anwendungen sind Tragwerksverstärkungen mittels aufgeklebten Stahl- oder Kohlefaserlamellen (CFK).
In den beschriebenen Anwendungen wurden hauptsächlich Zweikomponenten-Epoxyd-Klebstoffe verwendet. Diese zeichnen sich einerseits durch hohe Festigkeit und Steifigkeit, andererseits aber auch durch ein sprödes Materialverhalten aus. Insbesondere die auftretenden Spannungsspitzen in den Krafteinleitungsbereichen führen zu relativ empfindlichen Verbindungen hinsichtlich unvorhergesehenen Exzentrizitäten oder Ausführungsqualität. Bestrebungen sind deshalb im Gange, auch flexible und/oder duktile Polyurethan- oder Acryl-Klebstoffe einzusetzen, die robustere Klebeverbindungen ohne Spannungsspitzen ermöglichen (Schmid und Kieselbach 2002).
Stand der eigenen Forschung
Am CCLab der EPFL wurde das Verhalten von Klebeverbindungen bereits im Rahmen von KTI, SNF und ASTRA Projekten erforscht. Die Resultate dieser Forschungsprojekte fanden Eingang in über 30 wissenschaftlichen Publikationen und 3 Doktorarbeiten
Aus diesen Arbeiten resultierte u.a. ein Bemessungsverfahren für Klebeverbindungen aus spröden Epoxyd-Klebstoffen (Doktorarbeit Vallée) sowie duktilen Polyurethan- und Acryl-Klebstoffen (Doktorarbeit De Castro) für Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen. Eine wesentliche Erkenntnis war, dass duktile Klebstoffe das statische Verhalten von Klebeverbindungen erheblich verbessern. Im Zusammenhang mit spröden Werkstoffen wie Glas oder Faserverbundwerkstoffen können duktile Klebeverbindungen die fehlende Materialduktilität durch eine Systemduktilität ersetzen. Statische Versuche und Ermüdungsversuche an Brückenträgern innerhalb der ASTRA Projekte haben gezeigt, dass Klebeverbindungen zwischen Brückenfahrbahnplatten aus Faserverbundwerkstoffen und Stahlträgern eine vorteilhafte und robuste Verbindungstechnik darstellen, die eine schnelle Bauweise ermöglicht. Die Verbindungstechnik ist grundsätzlich auch für Fahrbahnplatten aus Stahlbeton anwendbar. Im Rahmen eines SNF Projektes wird zur Zeit das Ermüdungsverhalten von Klebeverbindungen aus pultrudierten Faserverbund-Profilen untersucht.
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Projektziele
(Deutsch)
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Das Forschungsprojekt beinhaltet folgende Projektziele:
1) Untersuchung von strukturellen Klebstoffen im Hinblick auf die Anwendung im Brückenbau, Einbezug von spröden Epoxy-, sowie duktilen Polyurethan- und Acryl-Klebstoffen.
2) Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Klebstoffen:
- viskoelastisches und plastisches Materialverhalten,
- Abhängigkeit von Belastungsgeschwindigkeit und Temperatur,
- Vergleich von Testprotokollen (ISO, ASTM, EN, etc.),
- Bestimmung von charakteristischen Werten und Widerstandsbeiwerten.
3) Untersuchung der Dauerhaftigkeit von Klebstoffen:
- Einfluss von Feuchtigkeit, Temperatur, UV auf die Materialeigenschaften,
- Ermüdungsverhalten,
- Bestimmung von Abminderungsfaktoren der charakteristischen Werte.
4) Bemessungsmodell für Klebstoffe im Eurocode Format und Anwendungsempfehlungen.
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Projektziele
(Englisch)
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The objectives of the research project are:
1) Investigation of structural adhesives regarding the application in bridge construction,
consideration of brittle epoxy and ductile polyurethane and acrylic adhesives
2) Characterization of the mechanical properties of adhesives:
- viscoelastic and plastic material behavior,
- effects of loading rate and temperature,
- comparison of test protocols (ISO, ASTM, EN, etc.),
- determination of characteristic values and material safety factors.
3) Investigation of the durability of adhesives:
- effects of humidity, temperature, UV on material properties
- fatigue behavior
- determination of reduction factors for characteristic values
4) Design model for adhesives in Eurocode format and recommendations for application.
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Forschungsplan
(Deutsch)
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Das Projekt gliedert sich in folgende sieben Arbeitsschritte:
Schritt 1: Literaturrecherche – Dauer Monat 1-6
Vervollständigung Literaturrecherche betreffend
- statischem Kurz- und Langzeitverhalten, Ermüdungsverhalten, Dauerhaftigkeit von verschiedenen spröden und duktilen Klebstoffen,
- vorhandenen Teststandards.
Schritt 2: Definition brückenspezifische Anforderungen – Dauer Monat 4-12
Definition der möglichen brückenspezifischen Anwendungen und Parameterbereiche:
- Art der möglichen Klebeverbindungen: Typisierung nach Geometrie, Exposition (Expositionsklassen), Beanspruchung (strukturell, semi-strukturell, kurz- und langzeit, Ermüdung), sowie Anforderung an Klebstoffe betreffend Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität,
- Parameterbereiche hinsichtlich Dauerhaftigkeit (Bereiche Temperatur, Feuchtigkeit, UV, Kombinationen, Ermüdung).
Schritt 3: Experimentelle Untersuchung – Dauer Monat 7-25
Experimentelle Untersuchung der Einflüsse aller oben genannten Parameter auf das Klebstoffverhalten. Folgende Versuchsarten sind vorgesehen:
- Zug-, Druck-, Schubversuche in der Klimakammer, mit und ohne vorgängiger UV-Bewitterung,
- Ermüdungs- und Kriechversuche,
- Dynamische mechanische thermische Analyse mit DMTA Prüfmaschine oder dem Torsionspendel zur
Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften,
- eventuell Impact Peel Tests mit dem Schlagpendel zur Bestimmung der möglichen Energieabsorption.
Schritt 4: Spezifikation von Testprotokollen – Dauer Monat 13-27
Vergleich und Wahl von Testprotokollen zur Bestimmung von charakteristischen Werten, visko-elastischem Verhalten, sowie Abminderungsfaktoren für charakteristische Werte in Abhängigkeit der Exposition.
Schritt 5: Bemessungsmodell im Eurocode Format – Dauer Monat 19-30
Modellierung Materialverhalten von Klebstoffen, Richtlinie zur Bestimmung von charakteristischen Werten, Widerstandsbeiwerten sowie Abminderungsfaktoren in Abhängigkeit der Exposition.
Schritt 6: Empfehlungen zur Anwendung von Klebeverbindungen – Dauer Monat 25-33
Empfehlungen zu möglichen Anwendungsbereichen von Klebeverbindungen, Klebstoffwahl, konstruktive Ausbildung und erforderliche Schutzmassnahmen um stahl- oder betonseitigen Einflüssen (Verschmutzung, Feuchtigkeit, Rost, etc.) zu begegnen, Klebstoff-Applikation. Schritt 7: Schlussbericht – Dauer Monat 30-36
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Wie voranstehend gezeigt wurde, besteht bereits eine Vielzahl möglicher Anwendungen von strukturellen Klebeverbindungen im Brückenbau. Insbesondere das Aufkleben von vorfabrizierten Fahrbahnplatten sowie Verstärkungselementen erscheint interessant im Hinblick auf kurze Bauzeiten unter Verkehr bei Instandsetzungen. Es sind jedoch auch semi-strukturelle Klebeverbindungen denkbar wie das Aufkleben von Leiteinrichtungen, Brüstungen oder Fahrbahnübergängen, insbesondere wieder im Rahmen von Instandsetzungen, wo das Fügen unterschiedlicher Materialien stark vereinfacht wird. Aufwändige Verankerungen von neuen Elementen in altem Konstruktionsbeton beispielsweise können entfallen.
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Berichtsnummer
(Deutsch)
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654
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Berichtsnummer
(Englisch)
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654
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Literatur
(Deutsch)
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Allgemeine Literatur
Adams RD, Comyn J, Wake WC. Structural adhesive joints in engineering. Chapman & Hall, London, 1997.
Hänsch H, Krämer W. Versuche mit geklebten Verbundkonstruktionen. Die Strasse 1968; 3: 137-141.
Fiedler E. Die Entwicklung des Stahlbrückenbaues in der DDR bis zum Zeitpunkt der Wende ein Rückblick. Stahlbau 2001; 70(5): 317-328.
Schmid M, Kieselbach R. New adhesive, EMPA scientific report Nr. 200'171 e02/2, 2002.
CCLab Dissertationen im Forschungsgebiet Kleben De Castro J. System ductility and redundancy of FRP structures with ductile adhesively-bonded joints. Thesis EPFL-CCLab No. 3214 (2005).
Gürtler H. Composite action of FRP bridge decks adhesively bonded to steel main girders. Doctoral Thesis EPFL-CCLab No. 3135 (2004).
Vallée T. Adhesively bonded lap joints of pultruded GFRP shapes. Doctoral Thesis EPFL-CCLab No. 2964 (2004).
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