Zum Tragverhalten von Gitterrosten aus glasfaserverstärktem Kunststoff

Bien, Jonas; Hoffmeister, Benno; Schröder, Kai-Uwe; Feldmann, Markus

doi:HT021715439

Zum Tragverhalten von Gitterrosten aus glasfaserverstärktem Kunststoff

Bien, Jonas^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jonas Bien, geb. Korndörfer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Hoffmeister, Benno (Thesis advisor)^RWTH* ; Feldmann, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-12-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00542
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/862556/files/862556.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau und Institut für Stahlbau (311710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Degradationsanalyse (frei) ; GFK (frei) ; Gitterroste (frei) ; Puck Versagensanalyse (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Konventionelle Press- oder Schweißpressgitterroste aus metallischen Werkstoffen werden, insbesondere bei hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit oder elektrische Leitfähigkeit, immer häufiger durch handlaminierte Gitterroste aus glasfaserverstärktem Kunststoff substituiert. Die Auswirkungen der werkstofflichen und mechanischen Unterschiede auf das Tragverhalten solcher Gitterroste werden derzeit weder in den gültigen Technischen Regeln zur Bemessung solcher Bauteile erfasst, noch sind sie im wissenschaftlichen Kontext ausreichend untersucht worden. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, das Tragverhalten von handlaminierten Gitterrosten aus GFK systematisch zu untersuchen und Ansätze für eine rechnerische Erfassung bemessungsrelevanter Grenzzustände abzuleiten. In einem ersten Schritt werden die Beanspruchbarkeiten der Gitterroste analysiert. Zu diesem Zweck werden die Tragfähigkeiten einzelner Gitterrosttragstäbe unter Zug, Torsions- und kombinierter Biege-/Querkraftbeanspruchung experimentell bestimmt. Die Versuche werden dann mithilfe komplexer Finite-Elemente-Berechnungen simuliert, um relevante Spannungs- und Schädigungs-zustände auf Einzelschichtebene identifizieren zu können. Zur rechnerischen Berücksichtigung eines nichtlinearen Materialverhaltens infolge Mikroschädigung und Bruch (Puck’sche Bruchhypothese + Degradationsanalyse) von unidirektional verstärkten und isotropen Einzelschichten werden Subroutinen entwickelt und über die USERMAT-Schnittstelle von ANSYS Mechanical in die FE-Berechnung integriert. Die für die detaillierte Analyse benötigten Einzelschichtschichtkennwerte werden auf Grundlage von experimentellen Untersuchungen auf Ebene der Ausgangswerkstoffe (Fasern und Kunststoffharz) in Kombination mit mikromechanischen Mischungsregeln abgeschätzt. Die Simulationen zeigen weitestgehend sehr zufriedenstellende Übereinstimmungen hinsichtlich der (nichtlinearen) Steifigkeiten sowie Tragfähigkeiten einzelner Tragstäbe und erlauben eine differenzierte und treffende Prognose der relevanten Versagensmechanismen. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass im Bereich der Kreuzungspunkte zweier Tragstäbe unter Torsionsbeanspruchung signifikante Wölblängsspannungen entstehen. Außerdem wird ein signifikanter Einfluss des nichtlinearen Materialverhaltens sowie eine starke Verwölbungsbehinderung im Bereich der Kreuzungspunkte auch bei querkraftdominierter Beanspruchung beobachtet. Diese Effekte werden in Parameterstudien umfassend analysiert und bewertet. Zudem wird das Bruchverhalten der Tragstäbe unter kombinierter Beanspruchung parametrisiert untersucht und die experimentell geschaffene Datenbasis deutlich erweitert. Auf Grundlage dieser Untersuchungen kann beispielsweise eine anfänglich unterstellte gegenseitige Beeinflussung von Biege- und Querkraftbeanspruchungen auf die Tragfähigkeit ausgeschlossen werden. Im zweiten Teil der Untersuchungen rückt eine möglichst zutreffende Prognose der Beanspruchungen der Tragstäbe innerhalb eines Gitterrostes (hochgradig statisch unbestimmtes System) unter üblicher, plattenartiger Beanspruchung in den Fokus. Zu diesem Zweck wird das MATLAB-basierte und für die Berechnung von Gitterrosten optimierte Stabwerksprogramm gridIT entwickelt. Für die Diskretisierung werden räumliche, schubweiche Biegebalken mit 7 Freiheitsgraden je Knoten verwendet. Neben der Wölbkrafttorsion können geometrisch nichtlineare Effekte sowie nichtlineare Auflagerbedingungen bei der Berechnung berücksichtigt werden. Für die Berechnung werden zunächst äquivalente, homogenisierte Steifigkeiten eingesetzt. Aus den Schnittgrößen können in einem der Verformungsberechnung nachgeschalteten Schritt die für die Versagensanalyse benötigten Einzelschichtspannungen mit guter Genauigkeit rückgerechnet werden. In Ermangelung verfügbarer Näherungslösungen zur Bestimmung äquivalenter Torsionskenngrößen des inhomogenen und trapezförmigen Querschnittes werden eigene Untersuchungen mithilfe der Finite-Differenzen-Methode durchgeführt. Zur Kalibrierung des gewählten Modellierungsansatzes werden zum einen die experimentellen und numerischen Untersuchungen am einzelnen Tragstab herangezogen. Zum anderen werden diverse Traglastversuche an zweiseitig gelagerten Gitterrostplatten mit unterschiedlichen Spannweiten, Breiten und Tragstabquerschnitten experimentell durchgeführt und mit gridIT nachgerechnet. Ein Vergleich der Ergebnisse legt nahe, dass der Einfluss der Kreuzungspunkte auf das Tragverhalten glasfaserverstärkter Gitterroste in guter Näherung durch eine völlige Wölbbehinderung in den Anschlussstellen zwischen Quer- und Längstragstäben abgebildet werden kann. Außerdem kann die Prognose der Biegetragfähigkeit in den Kreuzungspunkten durch die Einführung eines teilgeschädigten Zustands des Querschnitts deutlich verbessert werden. Schließlich kann gezeigt werden, dass torsionsinduzierte Schubspannungen nicht zur Entstehung katastrophaler interlaminarer Schubrisse beitragen und somit im Hinblick auf die Bewertung des Tragverhaltens von glasfaserverstärkten Gitterrosten vernachlässigt werden können. Mit dem validierten Modell wird zunächst der Einfluss der Material-, Laminat- und Querschnittskennwerte und deren Streuung auf die resultierenden äquivalenten Querschnittsgrößen und -tragfähigkeiten eines Tragstabes in Monte-Carlo-Simulationen untersucht. Weiterhin werden zahlreiche Berechnungen an rechteckigen Gitterrosten unter Variation der Außenabmessungen, des Gitterrosttyps, der Lagerungsbedingungen, der Maschenweiten, der Lastpositionen und Lastwürfelabmessungen sowie unter Berücksichtigung und Vernachlässigung der Wölbkrafttorsion sowie der geometrischen Nichtlinearität durchgeführt, um den Einfluss der verschiedenen Eingangsgrößen auf die resultierenden Traglasten und Versagensmodi systematisch bewerten zu können. Durch die ganzheitliche Betrachtung des Untersuchungsobjektes, von den Ausgangswerkstoffen bis zum Bauteil, können die Auswirkungen verschiedenster Parameter sowie deren Wechselwirkungen im Hinblick auf das Bauteiltragverhalten analysiert werden. Das gewählte Vorgehen kann im nächsten Schritt für die Analyse weiterer Gitterrosttypen (unterschiedlicher Hersteller), Material-kompositionen und Laminataufbauten adaptiert werden, um allgemeine Regeln für die statische Bemessung von glasfaserverstärkten Gitterrosten zu erarbeiten.

Conventional pressure-locked or welded gratings made of metallic materials are increasingly replaced by handlaminated gratings made of glass fibre-reinforced plastics, especially where high corrosion resistance or electrical conductivity is required. The consequences arising from the material-related and structural differences on the loadbearing behaviour of such gratings are currently not covered by the applicable technical rules for the design of such components, nor have they been sufficiently investigated in a scientific context. The present study therefore aims to systematically investigate the load-bearing behaviour of hand-laminated gratings made of GFRP and to derive methods for the computational determination of limit states that are relevant for the design. In a first step, the load capacities of the gratings are analysed. For this purpose, resistances of individual grating bars under tension, torsion and combined bending/shear loading are determined experimentally. The experiments are then simulated using complex finite element models to identify relevant stress and damage states at the scale of a single layer. Subroutines are developed for ANSYS Mechanical and integrated via the USERMAT interface to account for nonlinear material behaviour related to microdamage and fracture (Puck's fracture hypoth-esis + degradation analysis) of unidirectionally reinforced and isotropic layers. The characteristics of each lamina, required for the detailed analysis, are esti-mated based on experimental investigations at the level of the base materials (fibres and plastic resin) in combination with micromechanical mixture rules.The simulations agree well with respect to the (nonlinear) stiffnesses and load-bearing capacities of individual bearing bars and allow a differentiated and accurate prediction of the relevant failure mechanisms. Under torsional loading, significant warping stresses in the intersection area between two orthogonal bearing bars are clearly identified. Furthermore, a significant influence of the nonlinear material behaviour as well as a strong warping restraint in the crossing areas is observed even under shear-dominated loading. These effects are comprehensively analysed and evaluated within parametric studies. In addition, the fracture be-haviour of individual grating bars under combined loading is investigated in a pa-rameterised manner in order to complement the experimental findings. Based on these investigations, e.g. a mutual interaction of bending and shear stresses on the load-bearing capacity can be excluded. In the second part of the thesis, the focus shifts to accurately predicting the stress of a bearing bar being part of an actual grating (highly statically indeterminate system) under typical, plate-like loading. For this purpose, the structural frame analysis program gridIT is developed in the MATLAB Appbuilder environment. Spatial beams with 7 degrees of freedom per node and first order shear deformation theory are used for discretisation. In addition to warping torsion, geometrically non-linear effects as well as non-linear support conditions can be considered in the calculation. To calculate the internal forces, equivalent, homogenized stiffnesses are adopted for the beam elements. Stresses on the lamina level, required for the failure analysis, are approximated with good accuracy in a subsequent step. In the absence of suitable solutions for the determination of equivalent torsional parameters of inhomogeneous and trapezoidal cross-sections, additional investigations are carried out using the finite difference method. To calibrate the employed modelling approach, the experimental and numerical investigations on the single bearing bar are used. Moreover, various tests are carried out on grating panels with different spans, widths as well as bearing bar cross-sections and recalculated with gridIT. A comparison of the results suggests that a full warping restraint shall be assumed in the crossings between orthogonal bearing bars, increasing the torsional stiffness of the bearing bars significantly for some grating types. In addition, the prediction of the flexural capacity in the intersection points can be significantly improved by introducing a partially dam-aged state of the cross-section. Finally, it can be shown that torsioninduced shear stresses do not contribute to the development of catastrophic interlaminar shear cracks and can thus be neglected with respect to the evaluation of the load-bearing behaviour of glass fibre reinforced gratings.The validated model is then used to investigate the influence of the material, laminate and cross-section dimensions and their scatter on the resulting equivalent crosssection parameters and capacities of a bearing bar by means of Monte Car-lo simulations. Furthermore, numerous calculations are performed on rectangular gratings under variation of the panel dimensions, grating type, support condi-tions, mesh sizes, loading positions and load cube dimensions as well as under consideration and neglection of warping torsion and geometric nonlinearity in order to systematically evaluate the influence of the different input variables on the resulting ultimate loads and failure modes.The holistic approach of the thesis, starting with investigating the base materials and progressing to the structural element, allows to properly study the effects of a wide range of parameters and their interactions with regards to the load-bearing behaviour of the final grating. The selected procedure can be easily adopted for future analysis of other grating types, material compositions and laminate structures in order to develop general rules for the structural design of GFRP gratings.

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