Glasfaserverstärkte Kunststoffe unter hoher thermischer und mechanischer Belastung

Abstract

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten gegenüber konventionellen Materialien mehrere Vorteile, wie zum Beispiel hohe spezifische Festigkeiten, einen guten Korrosionswiderstand und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Mit der steigenden Verwendung von Glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) für Tragstrukturen, wie sie in diversen Projekten eingesetzt wurden, ist es von großer Bedeutung, den Einfluss hoher Temperaturen im Lastfall Brand auf das mechanische Verhalten abschätzen zu können. Dieser fehlende Nachweis schränkt bisher das Applikationspotential als Werkstoff für Tragwerke erheblich ein. Grundsätzlich lassen sich Faserverstärkte Kunststoffe in ihren Eigenschaften durch die Wahl der Faser und Matrix, über den Herstellungsprozess und die Nachbehandlung innerhalb weiter Grenzen variieren. Für die grundlegenden Untersuchungen in dieser Arbeit wurde jedoch nicht angestrebt, einen bestimmten Verbund für möglichst viele Belastungsfälle umfassend zu charakterisieren, sondern es wurden für drei verschiedene Materialkombinationen (E-Glasfaser/ungesättigtem Polyester-, Vinylester- und Phenolharz) die verbundspezifischen Eigenschaften bei erhöhter Temperatur und unter gleichzeitiger mechanischer Biegebeanspruchung erfasst. Als grundlegende Methode zur Werkstoffdatengenerierung von glasfaserverstärkten Kunststoffen wird in dieser Arbeit die Thermische Analyse angewendet. Um die Verbunde so wenig wie möglich zu schädigen, wurden verschiedene Methoden zur Herstellung der Probekörper evaluiert, da diese erheblichen Einfluss auf die Messungen der Thermischen Analyse haben. Durch die thermische Beanspruchung der Verbunde in den Untersuchungen verändern sich sowohl kalorische und thermogravimetrische, als auch mechanische Eigenschaften. Insbesondere der Elastizitätsmodulverlauf gilt als einer der Hauptindikatoren zur Beurteilung der Strukturintegrität bei hohen Temperaturen. Experimentelle Untersuchungen von glasfaserverstärkten Polyesterharzprofilen an einem Kleinversuchsofen zeigen, dass keine Linearität zwischen der Wahl größerer Trägerquerschnitte mit höheren Widerstandsmomenten und einer längeren Feuerwiderstandsdauer besteht. Die Versuche machen Schwächen von GFK-Tragelementen unter Drei-Punkt-Biegung im Druckbereich deutlich, die vierseitig bei hohen Temperaturen beflammt werden. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurden im Weiteren numerische und analytische Modelle generiert. Die auf die thermische Belastung reduzierten numerischen Modellierungen erlauben eine Auswertung des Einflusses der thermischen Kennwerte und die Angabe von groben Empfehlungen für die Versagenszeiträume in Bezug auf ihren Ausnutzungsgrad. Dies führte zur Aufstellung eines analytischen Modells, welches unter Annahme gleichmäßiger allseitiger Erwärmung in Abhängigkeit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von Isothermen gesetzt werden konnte. Eine auf den experimentellen Ergebnissen basierende numerische Ergebnismodellierung mit thermischer und mechanischer Beanspruchung zeigte geringe Abweichungen von den versuchstechnisch ermittelten Werten. Dabei konnte die Gültigkeit eines linear elastischen Werkstoffverhaltens der GFK-Profilträger in Abhängigkeit von der Zeit und innerhalb eines bestimmten Temperaturniveaus als hinreichend genau bestätigt werden.

The most important criteria for modern construction materials are high strength and stiffness combined with a low density. The development of glass fibre reinforced plastics (GFRP) in the 1930s made it possible to create materials of high specific strength with respect to their density. Today GFRP play an important role in consumer goods and their use in supporting structures is increasing. These developments underline the importance of analysing not only the spread of temperature in a structural member exposed to fire, but also its mechanical behaviour under high temperature. One of the great advantages of fibre reinforced plastics is the material diversification possibilities by varying fibres and matrices, as well as adjusting production processes and finishing treatment. The elementary research of this dissertation however concentrates on three different material combinations only. The specific composite properties of E-glass fibre/unsaturated polyester-, vinylesterand phenol resin are analysed under the combined influence of high temperature and mechanical bending stress. Basis for the generation of material data is a thermal analysis. In order to minimize the influence of the specimen fabrication on analysis results, different fabrication methods were evaluated. The thermal stress has an influence on the caloric and gravimetric, as well as the mechanical behaviour. The main indicator for the structural integrity under temperature load is the time dependent change of young modulus. The results of the thermal analysis in connection with the subsequent large scale tests showed that a significant loss of design resistance is already found below the glass transition temperature Tg. The experiments with the glass fibre reinforced polyester profiles on a small furnace show no linear relation between section modulus and the fire resistance period. The GFRP profiles show particular weakness in the pressure zone in three point bending tests under flame impingement from all four sides. The numeric and analytical models were generated based on the results of these experiments. The numeric models were reduced to thermal loading only, this allowed for an evaluation of the characteristic thermal values and led to a basic recommendation for the failure period in relation to the degree of utilisation. An analytical model was derived from the numeric analysis; here an isothermal velocity could be put into relation with a uniform circumferential temperature rise. Further numeric modelling of the tests showed good accordance with the experiment results from thermal and mechanical loading. This data provides sufficient results on the time dependent, linear elastic material properties of GFRP within a defined temperature range.