KUNDENHERAUSFORDERUNG
Bewehrungsstäbe sind ein wesentlicher Bestandteil großer Betonkonstruktionen, wie z. B. Brückenwiderlager, Fahrbahnbegrenzungen, Überführungen und Gebäudestützen. Jahrelang war der korrosionsanfällige Stahl aufgrund seiner Festigkeit das Material der Wahl für Bewehrungsstäbe. In den letzten zwei Jahrzehnten haben technologische Fortschritte Bewehrungsstäbe aus Verbundwerkstoffen zu einer brauchbaren Alternative zur traditionellen Stahlbewehrung gemacht. Salzhaltige Luft, Salzwasser, Streusalz und aggressive Böden tragen alle zur Zersetzung von Bewehrungsstahl bei und bedrohen die strukturelle Integrität von Straßen, Brücken und Gebäuden in Küstengebieten und nördlichen Klimazonen. Neue Bewehrungsstäbe aus glasfaserverstärktem Polymer (GFK), basaltfaserverstärktem Polymer (BFK) oder kohlenstofffaserverstärktem Polymerverbundwerkstoff bieten deutliche Vorteile in Bezug auf Festigkeit, magnetische Transparenz, Leichtigkeit und vor allem Korrosionsbeständigkeit.
Trotz dieser Vorteile hat sich die Verwendung von faserverstärkten Polymeren (GFK) noch nicht durchgesetzt, da es schwierig ist, ihre Festigkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit zu bestätigen. Die internationalen Bauvorschriften erlauben jetzt die Verwendung von GFK-Bewehrungsstäben, aber eine aktuelle Herausforderung ist, dass diese Materialien nicht standardisiert sind.
Dr. Raphael Kampmann, außerordentlicher Professor am Department of Civil & Environmental Engineering an der Florida State University, erklärt diese Herausforderung: „Ingenieure wollen Verbundwerkstoff-Bewehrungsstäbe mit dem Baustahl vergleichen, der normalerweise in Beton eingebaut wird, und dieser Stahl ist genormt. Ob man es in China, Deutschland oder den USA kauft, spielt keine Rolle, man bekommt immer ein standardisiertes Produkt.“ Er fügt hinzu: „Um die GFK-Bewehrungstechnologie in Bauwerken des Hoch- und Tiefbaus und in der gesamten Bauindustrie zu implementieren, müssen viele Materialtests durchgeführt werden, um die Vorteile dieser neuen Materialien richtig zu nutzen. Und wieder sind alle Materialien unterschiedlich, sodass jedes Material eine spezielle Zulassung benötigt.“
HERAUSFORDERUNGEN BEI DER PRÜFUNG
Die genaue Bewertung der realen Leistung von Bewehrungsstäben aus Verbundwerkstoffen, damit sie sicher in der Infrastruktur eingesetzt werden können, ist ein komplexer Prozess mit mehreren Herausforderungen:
Fehlende Standardisierung
Da die Normen Leistungskriterien vorschreiben, aber keine Angaben zur Materialzusammensetzung machen, kann jeder Bewehrungsstab je nach Herstellungsquelle, Materialart und Materialherkunft variieren. Die Validierung bezieht sich also auf ein bestimmtes Segment von Fertigprodukten.
Anzahl der Größen und Parameter
Bewehrungsstäbe gibt es in verschiedenen Standardgrößen mit Nenndurchmessern von 6 mm (0,25 Zoll) bis 57 mm (2,26 Zoll). Im Gegensatz zu Stahl variiert die Zugfestigkeit eines GFK-Bewehrungsstabs mit seinem Durchmesser, daher muss jede Größe getestet werden, bevor ein Hersteller sie auf den Markt bringen kann.
FALLSTUDIE
Zusätzlich zur Prüfung der anfänglichen Zugfestigkeit testet das Team der Florida State University die Bewehrungsstäbe, nachdem sie einen Alterungsprozess durchlaufen haben, der die aggressiven Umgebungsbedingungen in der realen Welt nachbildet. So wird geprüft, wie viel Restfestigkeit übrig bleibt, nachdem die Stäbe den Umweltbedingungen ausgesetzt wurden. Zur Bestimmung der Degradation werden die Benchmark-Werte des neuen Bewehrungsstabs dann mit dem gealterten Bewehrungsstab verglichen. Zur Untersuchung des grundlegenden Verhaltens von GFK werden auch verschiedene nicht-strukturelle Tests durchgeführt.
Zeitbedarf für den Alterungsprozess
Kampmann und sein Forschungsteam altern die Bewehrungsstäbe in verschiedenen Intervallen, was bedeutet, dass sie die Tests innerhalb eines begrenzten Zeitrahmens abschließen müssen, bevor sie zum nächsten Satz Bewehrungsstäbe übergehen. Er betont, dass dies „einen zuverlässigen Aufbau erfordert, der die Werkzeugzeit reduziert und einen schnellen Wechsel garantiert, um mehrere Tests innerhalb bestimmter Zeitlimits durchzuführen.“
Gesamtzahl der Tests
Der schiere Umfang der Tests, die zur Validierung der Leistung erforderlich sind, ist erstaunlich. Kampmann führt aus: „Allein für dieses eine Forschungsprojekt führen wir mehr als 700 Zugversuche durch, um alle Parameter zu testen und verschiedene Bewehrungsstahlgrößen und -typen zu bewerten.“
Probleme beim Einspannen
Eine der größten Herausforderungen bei der Prüfung von GFK-Bewehrungsstäben ist das Einspannen der Probe. Die Probe kann nicht an den Enden eingespannt werden, wie es bei Stahlbewehrungen möglich wäre, da die Ergebnisse aufgrund des faserigen Anteils der Probe verzerrt würden. Das herkömmliche Einspannen an den GFK-Enden würde eine Querkraft einleiten, die zu einer Verformung und Quetschung der Verbundwerkstoffe führen würde, bevor eine ausreichende Zugfestigkeit auf den Bewehrungsstab ausgeübt werden kann.
ASTM D7205 beschreibt eine Methode zur Behebung des Einspannproblems, bei der der GFK-Bewehrungsstab an beiden Enden mit Stahlrohren verankert wird, die mit einem sich ausdehnenden Mörtel oder Harz gefüllt sind, um die Lasten von der Prüfmaschine durch Reibung in den Bewehrungsstab zu übertragen. Und obwohl das nach einer einfachen Lösung klingt, beinhaltet diese zwei große Herausforderungen. Erstens müssen diese Verankerungen im Prüfraum untergebracht werden. Gleichzeitig müssen sie groß zum Einspannen des Prüflings sein und genügend Reibung bieten. Bei großen Verankerungen bleibt häufig nicht genügend Platz im Prüfraum zur richtigen Durchführung der Prüflingsbewertung. Zweitens vergrößern die Anker den Durchmesser der Probe an der Einspannstelle erheblich, und Standardspannbacken bieten oft nicht die erforderliche Kapazität.
TESTLÖSUNGEN
Das Team der Florida State University hat eine neue Vorrichtung entwickelt, die die Herausforderungen beim Einspannen löst und jede Größe von Bewehrungsstäben aufnehmen kann. Dieses neue Spannzeug leitet die Kraft in die Verankerung, überträgt sie auf die GFK-Probe und enthält Probenverriegelungsplatten, um die korrekte Ausrichtung zu gewährleisten.
Durch die Funktion zum Verriegeln des Prüflings werden die Prüfgeschwindigkeit und -genauigkeit verbessert. Kampmann sagt: „Wenn wir 700 Prüflinge testen, müssen wir schnell sein. Wenn Sie den Bewehrungsstab einspannen, wie Sie es bei normalem Stahlbewehrungsstab tun, müssen Sie ihn normalerweise immer ausrichten. Aber dies ist eine Komplettlösung, bei der man ihn einfach nur einsteckt und fertig ist. Dann wiederholen Sie einen Test nach dem anderen und müssen ihn nie wieder einrichten.“ Er fährt fort: „Und das nicht nur als Zeitersparnis. Außerdem wird der Test dadurch zuverlässiger. Mit dieser Vorrichtung ist es egal, wer das Prüfverfahren durchführt, es kommt in der Regel das Gleiche heraus, egal was man tut, denn wenn es einmal installiert ist, bewegt sich der Bewehrungsstab nicht mehr.“
Ein MTS Landmark® Testsystem ist problemlos mit der Vorrichtung kompatibel und bietet die erforderliche Steifigkeit und den einstellbaren Prüfraum, der für die Bewertung verschiedener Bewehrungsstahlgrößen erforderlich ist. Die neue Vorrichtung vereinfacht das Einsetzen des Prüflings, macht die Ausrichtung einzelner Prüflinge überflüssig und liefert genaue Messergebnisse. Dieser gestraffte Prozess bietet genügend Zeit, um alle notwendigen Tests durchzuführen.
KUNDENVORTEILE
Florida State verwendet ein MTS Landmark-Testsystem, die MTS TestSuite™ Anwendungssoftware und MTS-Dehnungsaufnehmer im Prüfprogramm für GFK-Bewehrungsstäbe. Dr. Kampmann beschreibt die Erfahrung der Zusammenarbeit mit MTS folgendermaßen: „Jede Frage, die wir haben, wird sofort beantwortet – viele Ingenieure reagieren sofort auf unsere Anliegen. Der Kundenservice hat bei MTS definitiv Priorität und es wird unermüdlich an Lösungen gearbeitet.“
Was die Zukunft von GFK-Bewehrungsstäben angeht, meint Kampmann: „Die nächsten zehn Jahre werden eine blühende Zeit für das Testen all dieser GFK-Materialien sein, denn im Moment befinden wir uns an einem Wendepunkt für die Branche, an dem Bauvorschriften zum ersten Mal die Verwendung von GFK-Bewehrungsstäben erlauben, aber noch nicht alle Materialien standardisiert oder ordnungsgemäß getestet und validiert sind.“ Er und sein Team haben Glas, Basalt und Carbon-GFK-Bewehrung getestet und sind bereit für das, was die Zukunft bringen mag: „Das Schöne an dieser Vorrichtung ist, dass sie unabhängig von dem getesteten Material ist. Wir können diese Vorrichtung nutzen, um unsere Projekte auf andere Materialien auszuweiten, die auf dem Markt eingeführt und getestet werden müssen. Unterm Strich müssen diese Materialien, wann und aus welchem Grund auch immer sie verwendet werden, getestet werden.“
