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25.06.2018

Klemmlösung mit speziellen Backeneinsätzen für die Zugprüfung an Glas- und Carbonbewehrungen von Zwick

Neue Prüfmethode für die textile Bewehrung von Beton

Faserverstärkte Kunststoffe zur textilen Bewehrung von Beton erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Für die in der Qualitätssicherung geforderten Zugprüfungen sind bisherige Klemmlösungen entweder nicht geeignet oder zu zeitaufwändig. Eine neue Entwicklung zeigt, wie Glas- und Carbonbewehrungen schnell und wirtschaftlich geprüft werden können.

Versuchsaufbau mit einer Zugprüfmaschine (© solidian)

Sowohl Hersteller als auch Forschungseinrichtungen und Prüfstellen wünschen sich reproduzierbare und wirtschaftliche Zugprüfungen von Bewehrungen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK-Bewehrungen). Die besonderen Anforderungen an diese Prüfung ergeben sich vor allem dadurch, dass beispielsweise Hochleistungsfasern sehr spröde und Carbonfasern besonders querdruckempfindlich sind. Eine herkömmliche Klemmlösung mit Stahlbacken ist daher nicht geeignet. Das gilt auch für die Varianten, die in den vergangenen Jahren speziell für die Zugprüfung von steifen, epoxidharzgetränkten Bewehrungen entwickelt wurden.

Dazu gehört beispielsweise ein Versuchsaufbau nach ISO 3341:2000-05 bei dem Garne über Umlenkrollen festgehalten und geprüft werden. Der Aufbau hat sich zwar für ungetränkte, einheitliche Faserstränge (Rovings) oder Faserstränge mit weichen, umlenkbaren Tränkungsmassen bewährt; nicht aber für steife Faserstränge mit duromeren Tränkungsmassen. Auch die Klemmung der Faserstränge mit gegeneinander verschraubten Stahllaschen- oder Standard-Probenhaltern mit gummiartigen Ausgleichsschichten führte nicht zu den gewünschten Resultaten, da dies, je nach Beschaffenheit der Faserstränge, die Festigkeit im Übergangsbereich zur Klemmung negativ beeinflussen kann. Die einzige Methode, die bislang eine fasergerechte Lasteinleitung ermöglichte, ist die Einklebung von Fasersträngen in Hülsen. Allerdings ist dieses Verfahren sehr zeitaufwändig und daher für größere Prüfprogramme ungeeignet.

Reduzierung des Klemmdrucks

Aus diesem Grund hat Solidian, Albstadt, gemeinsam mit dem Prüfmaschinenhersteller Zwick Roell, Ulm, eine Klemmlösung mit speziellen materialgerechten Backeneinsätzen entwickelt (Bilder 1und 2). Diese wird den Anforderungen der FVK-Bewehrungen gerecht und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle und praxistaugliche Prüfung.

Prüfung im seitlichen Prüfraum der Maschine (© Zwick)

Basis der neuen Versuchseinrichtung ist ein parallel schließender hydraulischer Keilprobenhalter, der für maximale Zugkräfte von 250 kN ausgelegt ist. Ausgetauscht wurden lediglich die Backeneinsätze, die üblicherweise ebene Stahlflächen mit z.B. einem gefrästen Pyramidenraster aufweisen. Die Prüfmaschine selbst ist eine Z600 aus der Serie AllroundLine von Zwick Roell mit einem optionalen seitlichen Prüfraum. Dieser erhöht die Anwendungsmöglichkeiten und reduziert gleichzeitig den Platzbedarf.

Bei direkter Klemmung von Fasersträngen mit den Stahlbacken würde sich die Verzahnung der Backenoberfläche in das vergleichsweise weiche Epoxidharz eindrücken und Filamente beschädigen. Unabhängig davon stellt sich am Übergang zum Klemmbereich durch den gleichmäßig verteilten Klemmdruck ein abrupter Dehnungswechsel der Faser ein. Um den Lasteintrag vor allem in diesem Übergangsbereich schonender zu gestalten, wurde der Klemmdruck in Richtung Fasermitte durch zwei Maßnahmen kontinuierlich reduziert. Zum einen ragen die Backeneinsätze einige Zentimeter aus dem Probenhalter heraus, sodass im Übergangsbereich zum Faserstrang nur ein indirekter Klemmdruck aufgebracht wird, der sich durch die Steifigkeit der Backeinsätze überträgt.

Als zweite Maßnahme nutzten die Entwickler eine spezielle Ausgleichsschicht aus einem duroplastischen Polymer mit Korundfüllung. Sie ist so platziert, dass die Dicke der Einlage von 5 mm im unteren Bereich auf 8 mm im oberen Bereich zunimmt. Durch die geringere Gesamtsteifigkeit reduziert sich der Klemmdruck im Übergangsbereich zusätzlich.

Einfluss der Querstränge

Für die Prüfung werden sechs Faserstränge einer Serie mit einer Länge von 440 mm aus einem Bewehrungsgitter entnommen. Die Querstränge sind so gekürzt, dass sie insgesamt eine Länge zwischen 10 und 15 mm erreichen. Bei besonders dicken Knotenpunkten der Bewehrungsgitter oder bei sehr hoher Zugfestigkeit kann es sinnvoll sein, die Querstränge zu entfernen, um eine festigkeitsmindernde Spannungskonzentrationen in den Knotenbereichen zu vermeiden. Durch einen Vergleich der Zugfestigkeiten von Fasersträngen mit und ohne Querstränge lässt sich der Einfluss für den jeweiligen Bewehrungstyp vorab bewerten.

Beim Einbau wird die Probe an aufgeschraubten Anschlägen ausgerichtet und festgehalten bis oben und unten der Schließdruck von 30 bar erreicht ist. Vor dem Start der Prüfung erfolgt eine Erhöhung des Klemmdrucks. Idealerweise wird in Vorversuchen ein möglichst geringer Klemmdruck ermittelt. Bei hochfesten Fasersträngen mit über 20 kN Bruchkraft sind erfahrungsgemäß Klemmdrücke von ca. 100 bar erforderlich. Die Steuerung erfolgt weggeregelt über die Traverse.

Für die hier getestete freie Länge von 160 mm wurde eine Traversengeschwindigkeit von 3 mm/min eingestellt. Für andere Längen muss die Geschwindigkeit so angepasst werden, dass sich eine ähnliche Dehnungsrate ergibt. Die Prüfung ist beendet, wenn es entweder zu einem Zugversagen des Faserstrangs oder zu einem Faserauszug aus dem Klemmbereich kommt.

Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass auch empfindliche faserverstärkte Kunststoffe mit hydraulischen Klemmbacken geprüft werden können, wenn die Klemmtechnik an die Querdruckempfindlichkeit der Materialien angepasst wird. In ersten Vergleichsserien mit gleichartigen Fasersträngen, die in Hülsen eingeklebten wurden, konnten keine signifikanten Unterschiede wie beispielsweise eine geringere Zugfestigkeit durch die Klemmung beobachtet werden.

Dr. Peter Stipp

Zwick GmbH & Co. KG Werkstoff-Prüfmaschinen
www.zwick.de

Unternehmensinformation

Zwick GmbH & Co. KG Werkstoff-Prüfmaschinen

August-Nagel-Str. 11
DE 89079 Ulm
Tel.: 07305 10-0
Fax: 07305 10-200

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