Entwicklung von Hochleistungsschutzplanken aus Verbundwerkstoffen

Das Fachgebiet Organische Baustoffe und Holzwerkstoffe des iBMB führt in Zusammenarbeit mit zwei industriellen Partnern ein Projekt mit dem Titel
„Entwicklung von Hochleistungsschutzplanken aus Verbundwerkstoffen auf Basis nachhaltiger Rohstoffe“
durch.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von sicheren, umweltfreundlichen und dauerhaften Schutzplankensystemen für Verkehrswege mithilfe einer innovativen Kombination von klassischen (Holz) und modernen (u.a. Fiberglas, Aramidfasern) Materialien. Dabei werden hochfeste Laminate in Kombination mit lokalen Versteifungen, einem energieabsorbierender Kern und korrosionsbeständigen erneuerbaren Materialien verwendet. Die neuen Schutzplanken werden mit den vorhandenen Systemen auf Stahlbasis kompatibel sein, und sich dadurch mit der vorhandenen Infrastruktur verwenden lassen.

Crashtest erfolgreich

Der im Rahmen unseres Projektes zur Entwicklung von Hochleistungsschutzplanken aus Verbundwerkstoffen durchgeführter Crashtest ist erfolgreich verlaufen.

Zum Abschluss des Projektes zur Entwicklung einer Hochleistungsschutzplanke aus Verbundwerkstoffen, vor allem aus Holz als nachhaltigem Rohstoff, wurde die entwickelte Schutzplanke einem Crastest unterzogen. Die Schutzplanke hat ihre Aufgabe erfüllt, das anprallende Fahrzeug wurde wie gewünscht aufgehalten.

Dieser Crashtest wurde am 13.08.2014 in Müster bei der crashtest-service.com GmbH durchgeführt.

Projektfortschritt

Im AIF-Schutzplankenprojekt konnten bisher eine Vielzahl Meilensteine umgesetzt werden. Zur Validierung der FEM-Simulationen und Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Plankenaufbaus wurden verschiedene Untersuchungen an skalierten Proben durchgeführt.

Bisher wurden im Projekt verschiedene Untersuchungen an Glasfaser-verstärktem Holz unternommen, um eine optimale Materialkombination Holz / Klebstoff / Verstärkungslage /Energiedissipationsschicht auszuwählen und verbesserte Eingangsparameter für die dynamische FEM-Modellierung zu erlangen. Es wurden dabei sowohl die Anhaftung des Verstärkungsmaterials (GFK) an der Holzoberfläche als auch die Verstärkungswirkung bei quasi-statischer und bei dynamischer, d.h. schlagartiger Belastung untersucht. Innerhalb der Versuche wurden jeweils die Materialkombinationen und das Verhältnis von Holz zu Verstärkungslage zu Energiedissipationsschicht variiert. Um die für den geplanten Verwendungszweck optimale Kombination zu finden, war es notwendig, die Anhaftung bei mechanischer Belastung während, nach und ohne klimatischer und korrosiver Beanspruchung, auch unter klimatischen Extrembedingungen sowie das Verhalten bei quasi-statischer Belastung zu bewerten.

Eines der Hauptinteressen innerhalb des Projektes ist, das dynamisch-mechanische Verhalten von Holz und die mögliche Beeinflussung durch zusätzliche Verstärkungsfasern sowie durch energiedissipierende Lagen zu verstehen und mittels FEM vorhersagen zu können. Zu diesem Zweck wurden Voruntersuchungen an stark skalierten Proben mittels Schlagpendelversuch mit 100 Joule Schlagenergie durchgeführt. Die Ergebnisse dienten zum Aufbau des FEM-Modells mittels LS-Dyna. Im nächsten Schritt wurde ein voll instrumentiertes 1000-Joule-Schlagpendel gebaut, womit der Anprallvorgang an größeren Proben durch Hochgeschwindigkeitsmessung der auftretenden Kräfte, Dehnungen und Beschleunigungen möglichst genau wiedergegeben werden kann. Nun können Einflüsse des Holz- bzw. Plankenaufbaus (Jahrringbreite, Jahrringwinkel, Äste, Holzlagen, Klebfugen, …) besser experimentell und damit für die Modellierung berücksichtigt werden.

In einem geplanten Versuch in Zusammenarbeit mit GOM (Gesellschaft für optische Messtechnik) soll das Bruchverhalten beim Anprall durch Dehnungsverteilung durch ultra-Hochgeschwindigkeitsmessungen genauer unter die Lupe genommen und das FEM-Modell verifiziert werden.

Mit dem Ziel die mechanische Leistungsfähigkeit und die Dauerhaftigkeit eines nachhaltigen Schutzplankensystems auf Holzbasis zu optimieren, eröffnet uns das Projekt darüber hinaus  ein verbessertes Verständnis des Holzverhaltens unter dynamischer Belastung sowie dessen Voraussage mittels FEM-Modellierung.

Holz wirkt als CO2-Senke nachhaltig, da es einen reduzierenden Effekt auf die Summe der Treibhausgase in der Atmosphäre hat.

Das Projekt wird durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des BMWi gefördert.

Förderkennzeichen: KF2178805WZ2

Großschlagpendelversuch an Modell

Kleinschlagpendelversuch

 
Schlagpendelversuch an nicht glasfaserverstärktem Schutzplanken-Versuchskörper. Mit diesen Versuchen wird der Aufprallgeschehen  in kleinem Maßstab nachgestellt. Die Videoaufnahme zeigt den Versuch in 1000facher Zeitlupe.

FEM-Simulation des Schlagpendelversuchs


Die Simulation stellt die durchgeführten Schlagpendelversuche nach mit dem Ziel, das FEM-Modell anhand der realen Versuche zu kalibrieren.


Die Grafik zeigt den mittels FEM berechneten Energieaufwand für das Druchschlagen der unverstärkten Probe an, er liegt bei etwa 10 J. Im Experiment wurden Energien zwischen 4,41 J und 15,30 J bei einem Mittelwert von 9,99 J beobachtet.

Versuchsaufbau


Die Bilder zeigen den Schlagpedel-Versuchsstand und die Hochgeschwindigkeitskamera, mit der die Aufnahmen der Schlagpendelversuche durchgeführt wurden. Trotz der starken Beleuchtung sind die Videoaufnahmen aufgrund der hohen Bildrate wie oben zu sehen sehr dunkel.