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Main Title: Feuerwiderstand von unversteiften und versteiften CFK Schalenstrukturen und der Einfluss von integrierten Flammschutzlagen
Translated Title: Fire resistance of non-reinforced and reinforced CFRP shell structures and the impact of integrated flame retardant layers
Author(s): Timme, Sebastian
Advisor(s): Schartel, Bernhard
Trappe, Volker
Referee(s): Zehn, Manfred
Schartel, Bernhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) are progressively used as lightweight materials in primary, load bearing structures for aircraft, ships and trains. However, their mechanical performance under direct flame impingement is identified to be a limiting factor decreasing their weight-saving potential. The fibers often behave inert with respect to pyrolysis while the mechanical properties of the polymeric matrix are strongly dependent on its decomposition and softening temperature. A CFRP structure under a fully developed fire will shortly be characterized by a complete burn-out of the polymeric matrix on the contrary to conventional aluminum structures which suffer from structural burn-through. Especially under compressive loads the result is a rapid mechanical failure because the fibers lose their stiffening and protecting environment when the glass transition temperature of the polymeric matrix is reached. For investigating the fire stability of fuselage structures of modern, civil aircraft, an unique fire stability test setup is operated at BAM, enabling the testing of stringer reinforced CFRP shells on the intermediate-scale (500 x 500 mm²) under direct flame impingement and compressive loads at the same time. Fire stability tests on original CFRP fuselage structures reveal a linear correlation between the time to failure and different shell thicknesses with an identical stringer reinforcement tested at the same stress level. While the shell structure is completely destroyed by a burn-out of the polymeric matrix, the stringer are able to carry the compressive load solely until the critical softening temperature is reached. Investigations on non-reinforced and stringer reinforced CFRP shell structures with integrated fire protection layers reveal a high potential for enhancing the fire stability of the structure. An integrated thin titanium sheet (125 μm) for example prolongs the time to failure by 68% during a fire stability test. Likewise, an ultramodern and into the shell incorporated ceramic fiber layer offers a remarkable reduction of the thermal conductivity in the direction of thickness. Furthermore, the formation of toxic smoke gases, resulting from the decomposition of the polymeric matrix, is identified as a critical design issue of CFRP fuselage structures.
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden zunehmend für lasttragende Primärstrukturen in der Luftfahrt, Schifffahrt und im Schienenverkehr eingesetzt. Dabei gilt ihr Verhalten unter Brandeinwirkung als limitierender Faktor. Die Fasern zeigen sich meist inert gegenüber Pyrolyse, wohingegen die Polymermatrix bereits beim Erreichen der Glasübergangstemperatur einen drastischen Abfall der mechanischen Eigenschaften erleidet. Beim Erreichen der Zersetzungstemperatur ist folglich die restliche stützende Wirkung auf die Fasern vollkommen vernichtet. Vor allem für unter Druck belastete CFK Strukturen ist ein direktes mechanischen Versagen die Folge. Bei direkter Beflammung einer CFK Struktur ist diese deshalb, anderes als bei Aluminiumstrukturen, nach kurzer Zeit durch einen Ausbrand der Polymermatrix gekennzeichnet und nicht durch einen Durchbrand. Zur Charakterisierung der Standfestigkeit unter Brandeinwirkung der CFK Rumpfstruktur von modernen Passagierflugzeugen kommt ein an der BAM entwickelter Prüfaufbau zum Einsatz, der das direkte Beflammen bei gleichzeitiger Drucklastbeanspruchung von unversteiften und stringerversteiften CFK Rumpfschalen im Intermediate-scale (500 x 500 mm²) erlaubt. Feuerwiderstandsprüfungen an originalen CFK Rumpfstrukturen ergeben einen linearen Zusammenhang zwischen der Zeit bis zum Versagen und unterschiedlicher Schalenwandstärken bei identischer Stringerversteifung und gleichem Spannungsniveau. Dabei stellt sich heraus, dass die Stringer allein in der Lage sind, die aufgebrachte Last zu tragen, nachdem die Schale nahezu vollständig ausgebrannt ist. Untersuchungen an unversteiften und stringerversteiften CFK Schalen mit integrierten Flammschutzlagen offenbaren deren Potential zur Erhöhung der Standfestigkeit unter Brandeinwirkung der Gesamtstruktur. Beispielsweise erhöht ein dünnes, integriertes Titanblech (125 μm) die Zeit bis zum Versagen um 68 %. Ebenfalls lässt eine hochmoderne und in die CFK Schale eingebettete Faserkeramiklage eine deutliche Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit in Dickenrichtung erkennen. Weiterhin wird die Bildung von toxischen Rauchgasen als thermische Zersetzungsprodukte der Polymermatrix als kritisches Designkriterium identifiziert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9168
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8254
Exam Date: 29-Jun-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 25-Mar-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CFK
Feuerwiderstand
Stabilität
versteifte Schalenstrukturen
integrierte Flammschutzlagen
CFRP
fire resistance
stability
reinforced shell structures
integrated flame retardant layer
Sponsor/Funder: BMWi, LuFoIV4-249-115, Corinna
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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