Analyse von Faserbewehrten Elastomerlagern

Die Verwendung von Mehrschichtfedern aus Gummi und Stahl ist "Stand der Technik" in vielen Anwendungsbereichen. Die geforderte Kombination aus horizontaler und vertikaler Steifigkeit kann durch eine gezielte Beeinflussung des Formfaktors durch Verwendung von Bewehrungslagen erreicht werden. Im Allgemeinen wird hierfür Stahl verwendet, was zu verschiedenen Nachteilen führt. Die Entwicklung von faserbewehrten Elastomerlagern erlaubt eine Substitution der Stahlplatten durch synthetische Gewebe mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften. Trotzdem bestehen essentielle Unterschiede und Vorteile bezüglich der mechanischen Eigenschaften der Lager und deren Herstellung. Die Formeln zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Lager, welche in der Literatur und den Normen zu finden sind, stellen nur eine ungenaue Näherung des Lagerverhaltens dar. Dies gilt speziell für faserbewehrte Lager. Sie berücksichtigen weder Nichtlinearitäten auf geometrischer Seite und Materialseite, noch wird das Dämpfungsverhalten erfasst. Ziel dieses Projekts ist die detaillierte Erforschung des mechanischen Lagerverhaltens. Dadurch sollen die bereits bekannten Formeln bewertet, aber auch erweitert werden, um eine realistischere Beschreibung des Lagerverhaltens zu erlangen.

Faserverstärkte Elastomerlager ohne Verbund werden durch alternierende, in sich verbundene Glasfaserverstärkungsschichten verstärkt. Diese Schichten werden gewöhnlich zwischen Aufbauten (z.B. Brücken) und Unterbau (z.B. Stützmauern) angebracht, ohne Verbund oder mechanische Befestigung an den Kontaktflächen der Lager. Daher werden Querkräfte durch die Reibung zwischen dem Lager und seinen oberen und unteren Kontaktflächen übertragen. Die primäre Rolle der Faserverstärkung der Lager besteht darin, ausreichende vertikale Steifigkeit zu gewährleisten, indem sie laterale Auswölbungen der Elastomerschichten unter der Einwirkung vertikaler Stauchung auf ein Minimum reduzieren. Obwohl eine solche Faserverstärkung innerhalb der verstärkten Ebene Dehnungssteifigkeit liefert und so effektiv die laterale Auswölbung des Elastomers reduziert, sind ihre Auswirkungen auf die Biegesteifigkeit vernachlässigbar. Wird also ein faserverstärktes Lager ohne Verbund einer horizontalen Belastung ausgesetzt, so können Oberseite und Unterseite teilweise von den Kontaktflächen wegrollen. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde die Kombination vertikaler und horizontaler Belastungen, und im speziellen horizontaler seismischer Belastungen untersucht. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Erweiterung der bestehenden analytischen Formulierungen gewidmet, um die frequenzabhängigen Auswirkungen auf die vertikalen und horizontalen Auslenkungen zu erfassen. Das Ziel war insbesondere, die horizontalen Auslenkungen für bis zu 150% in Bezug auf die Laderhöhe und die hohen nichtlinearen Dämpfungseffekte aus dem Überrolleffekt zu erfassen. Diese Untersuchungen wurden numerisch und experimentell an durch Carbon- und Glasfasern verstärkte Elastomerlager durchgeführt: Mit Glas- und Carbonfasern verstärkte maßstäbliche Lager wurden auf einer Finite Element Basis modelliert, um das Verhalten hyperelastischer Werkstoffmodelle unter dem Einfluss kombinierter vertikaler und horizontaler Belastungen zu untersuchen. Umfassende Experimente, sowohl in kleinem als auch in großem Maßstab, wurden durchgeführt, um Inputparameter zu entwickeln für (a) die von der Finite Element Analyse geforderten komplexen Anpassungen der hyperelastischen Materialmodelle und (b) die Analyse des last- und frequenzabhängigen Dämpfungsverhaltens von Glasfasergeweben, Carbonfasergeweben und Elastomeren. Schließlich befassen sich die numerischen wie die experimentellen Untersuchungen mit der Definition des last- und frequenzabhängigen Dämpfungsverhaltens (von außerordentlicher Bedeutung in seismologischen Untersuchungen), mit der Definition der Tragfähigkeiten von faserverstärkten Lagern unter dem Einfluss kombinierter vertikaler und horizontaler Belastungen, und mit der Adaptierung hyperelastischer Materialgesetze und codespezifischer analytischer Formulierungen für faserverstärkte Elastomerlager ohne Verbund.