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Tragverhalten von Flächentragwerken aus gekrümmten Sandwichelementen

Grimm, Sören (2022)
Tragverhalten von Flächentragwerken aus gekrümmten Sandwichelementen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021553
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Tragverhalten von Flächentragwerken aus gekrümmten Sandwichelementen
Language: German
Referees: Lange, Prof. Dr. Jörg ; Naujoks, Prof. Dr. Bernd
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIV, 167, A-2, B-13, C-11, D-3, E-9 Seiten
Date of oral examination: 4 April 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021553
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Lightweight constructions made of sandwich panels became well established for roof and wall claddings of industrial structures. The two face sheets of the sandwich panel are connected by a light core material. Therefore the composite panel has high bending stiffness and load-bearing capacity with minimum weight and good thermal properties. However, the plane sandwich panels usually limit the possible building cubature to rectangular shapes. The present work is about the load bearing behaviour of shell structures made of curved sandwich panels, whose design principle was developed in an interdisciplinary project at TU Darmstadt to increase their field of application. Therefore analytical models as well as the local failure modes (failure of the face, wrinkling, failure of the core and delamination) of curved sandwich panels are presented and analysed based on the literature. Further, arch beam models for global failure modes (stability) are presented taking into account shear stiffness as well as deformations. A test setup is developed to determine the shear stiffness and shear strength of curved panels in all directions of interest. In a numerical and experimental study the new plastic hinge square shear test and the common shear test in EN 14509, annex A3 are compared and critically reviewed. The veriffed new test setup was used to examine the shear properties of two different cores by different manufacturers. Based on the results a formula is proposed to calculate the shear load-bearing capacity under multi-axial load. The structural potential of curved sandwich panels is demonstrated by the results of a numerical study and the impact of the panel thickness, curvature as well as the span is evaluated. The theoretical results are veriffed by computing full scale tests with the same finite element model approach. The results also show the great impact of the stiffness of the bearing on the analysis of the structure. Thus, a model is developed to take into account the bearing stiffness in the stability calculation of sandwich arches. Based on the results a rough field of application is defined. Since the transition conditions of the longitudinal joints between the panels also affect the load bearing of the shell structures, the transferability of the findings of previous works is examined. As there is no assessment of the joint under compression so far, a test setup is developed to determine their stiffness and strength. The setup is used to test exemplary joints. All findings are used in a simple analytical model to assess the interaction of the panels as a shell structure. The developed guidelines on finite element modelling are successfully used for a demonstrator shell model. The results show a high structural potential provided by the new shell structures made of curved sandwich panels.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-215537
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics > Steel Constructions
Date Deposited: 20 Jun 2022 12:09
Last Modified: 02 Sep 2022 08:24
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21553
PPN: 496568744
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