Grimm, Sören (2022)
Tragverhalten von Flächentragwerken aus gekrümmten Sandwichelementen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021553
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Bauwesen - insbesondere im Industriebau - haben sich Sandwichkonstruktionen als wirtschaftliche Lösung für die Gebäudehülle etabliert. Die beiden Deckschichten der Sandwichelemente werden durch einen leichten Kernwerkstoff schubsteif miteinander verbunden. Die Verbundbauteile erreichen so große Biegesteifgkeiten und -tragfähigkeiten bei geringem Eigengewicht und guten thermischen Eigenschaften. Allerdings sind die möglichen Gebäudegeometrien durch die herstellungsbedingt ebenen Sandwichpaneele limitiert. Um die Möglichkeiten hinsichtlich realisierbarer Geometrien und Stützweiten zu erweitern, wurden an der TU Darmstadt - in einem interdisziplinären Forschungsprojekt - daher Flächentragwerke aus gekrümmten Sandwichelementen entwickelt, von deren Tragverhalten die vorliegende Arbeit handelt. Es werden Erkenntnisse aus der Literatur zur Konstruktionsweise, der Systemberechnung sowie der lokalen Tragfähigkeit (Deckschichtversagen, Knittern, Kernversagen und Delamination) der gekrümmten Verbundbauteile zusammengetragen. Die globale Tragfähigkeit (Stabilität) gekrümmter Sandwichelemente wird mit Ansätzen zu schubsteifen Bögen unter Berücksichtigung von Verformungen analysiert. Zur Bestimmung aller relevanten Werkstoffkennwerte wird ein Prüfverfahren entwickelt, mit dem die Schubsteifgkeit und -tragfähigkeit des Kerns gekrümmter Sandwichelemente ermittelt und darüber hinaus auch die Schubeigenschaften in jeder Raumrichtung bestimmt werden können. Der neue Fließgelenkquadrat-Versuch wird dem etablierten Schubbalken-Versuch nach DIN EN 14509, Anhang A3 in einer numerischen und experimentellen Studie gegenübergestellt und beide Prüfmethoden werden kritisch überprüft. Nach erfolgreicher Verifizierung werden mit dem neue Verfahren zwei Kerne unterschiedlicher Hersteller in fünf Richtungen untersucht und an den Erkenntnissen ein Format für den Schubspannungsnachweis unter mehraxialer Beanspruchung abgeleitet. In einer numerischen Parameterstudie wird das Potential einzelner gekrümmter Sandwichelemente hinsichtlich der Tragfähigkeit demonstriert und der Einfluss von Bauteildicke, -krümmung sowie der Stützweite auf ihr Tragverhalten analysiert. Die Modellergebnisse werden durch Nachrechnungen von Bauteilversuchen verifiziert. Die Versuchsergebnisse zeigen einen großen Einfluss der Steifigkeit der Auflagerkonstruktion auf die Tragwerksanalyse. Daher wird ein Ansatz entwickelt, diese auch bei der Stabilitätsanalyse von Sandwichbögen berücksichtigen zu können. Aus den Ergebnissen werden Anwendungsgrenzen für die neue Bauweise aufgestellt. Da für die Bewertung des Tragverhaltens der Flächentragwerke auch die Übergangsbedingungen aus den Längsfugen von großer Bedeutung sind, wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse vorangegangener Arbeiten auf diese Bauweise analysiert. Weil keine Untersuchungen zu Längsfugen unter Normalkraftbeanspruchung vorliegen, wird ein Prüfverfahren zur Bestimmung ihrer Steifigkeit und Tragfähigkeit entwickelt und auf exemplarische Fugen angewendet. Die Erkenntnisse aus allen Untersuchungen fließen in einen vereinfachten Ansatz zur Bewertung der Flächentragwirkung ein. Ein erarbeiteter Leitfaden zur Tragwerksmodellierung mit Hilfe der FEM wird in einem Demonstrator-Flächenmodell erfolgreich umgesetzt. Die Ergebnisse machen das große Potential von Flächentragwerken aus gekrümmten Sandwichelementen deutlich und zeigen, dass der Wirkungsgrad der tragfähigen Werkstoffe im Verbundquerschnitt mit dieser Bauweise erhöht werden kann.

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