Beck, Patrick (2021)
Zum zeit- und temperaturabhängigen Werkstoffverhalten von Ethylen/Tetrafluorethylen–Folien im Hochbau.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00018560
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Wunsch nach einer transparenten Gebäudehülle war bis in die 1980er Jahre nur mit dem starren und schweren Werkstoff Glas dauerhaft realisierbar. Seither bieten die duktilen und sehr leichten Folien des Fluorpolymers Ethlyen/Tetrafluorethylen (kurz: ETFE) eine ressourcenschonende und langlebige Alternative zum arrivierten Glas. ETFE-Folien werden in durch Vorspannung stabilisierten Konstruktionen im Membranbau eingesetzt und erweitern durch ihre synklastische bzw. antiklastische Form den bisher bekannten Formenkanon. Die für membrane Konstruktionen dauerhaft erforderliche Vorspannung bedingt in den Ethlyen/Tetrafluorethylen-Folien eine Dauerbeanspruchung. Deren Einfluss auf den polymeren Werkstoff ETFE wird jedoch noch immer negiert. In der vorliegenden Arbeit wird diese Problemstellung aufgegriffen. Auf Basis experimenteller Untersuchungen wird eine praxisnahe, ingenieurmäßig greifbare Modellierung des Werkstoffverhaltens der ETFE-Folien in Abhängigkeit von der Zeit, der Temperatur und der Höhe der einwirkenden Beanspruchung entwickelt. Zeitinvariante isotherme Kurzzeitzugversuche untersuchen den Einfluss der Temperatur auf das zeitinvariante Werkstoffverhalten der ETFE-Folien. Die Dehnungen unter lang andauernder Beanspruchung werden in zeitvarianten isothermen Dauerlastzugversuchen bei unterschiedlichen Temperaturen und auf unterschiedlichen Niveaus der einwirkenden Beanspruchung beobachtet. Isotherm durchgeführte zeitvariante Lastwiederholungsversuche zeigen den Einfluss wiederholter Be- und Entlastungsphasen auf die ETFE-Folien. Mehrjährige Dauerlastversuche unter anisothermem natürlichem Klima schließen das Versuchsprogramm ab. Die Werkstoffmodellierung zielt auf die Beschreibung dieses mehrparametrigen, die Einflüsse der Zeit, der Temperatur sowie des Beanspruchungsniveaus berücksichtigenden mechanischen Verhaltens der ETFE-Folien. Um gleichzeitig eine baupraktische Anwendbarkeit und mechanische Interpretation der Modellierung zu ermöglichen, basiert die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte Werkstoffmodellierung auf einem zeitinvarianten, phänomenologischen sowie einen zeitvarianten, rheologischen Ansatz. Die Parameter des entwickelten Modells werden, modular aufeinander aufbauend, anhand der Ergebnisse der isothermen Kurzzeitzugversuche sowie der isothermen Dauerlastversuche identifiziert. Das zeitinvariante Spannungs-Dehnungs-Verhalten wird ausgezeichnet beschrieben. Im Vergleich der durch die Werkstoffmodellierung prognostizierten mit den in den isothermen zeitvarianten Versuchen gemessenen Dehnungen ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung. Im Anschluss daran wird das Werkstoffmodell hinsichtlich der Anwendbarkeit auf die Beschreibung lang andauernder, aber wechselnder Be- und Entlastungsphasen geprüft. Ersichtlich wird, dass unter Verwendung eines modifizierten Superpositionsprinzips auch hier eine qualitativ sehr gute und quantitativ noch immer ausreichende Abbildung möglich ist. Der Verlauf der Dehnungen der anisotherm unter natürlichem Klima durchgeführten Dauerlastversuche lässt sich nur noch qualitativ für lange Versuchsdauern beschreiben. Die Arbeit schließt mit der Ableitung einer äquivalenten Temperatur, die dem Tragwerksplaner einen guten Ansatzpunkt für die Berücksichtigung des zeit- und temperaturabhängigen Werkstoffverhaltens der Ethlyen/Tetrafluorethylen-Folien in der Bemessungsaufgabe ermöglicht.

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