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Beitrag zur Momenten-Auflager-Interaktion von Sandwichelementen

Engel, Alexander (2023)
Beitrag zur Momenten-Auflager-Interaktion von Sandwichelementen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023806
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Beitrag zur Momenten-Auflager-Interaktion von Sandwichelementen
Language: German
Referees: Lange, Prof. Dr. Jörg ; Naujoks, Prof. Dr. Bernd
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 240 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 19 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023806
Abstract:

Sandwichelemente im Bauwesen werden vorwiegend als raumabschließende Dach- und Fassadenelemente im Industrie- und Hochbau eingesetzt. Da sie in der Regel als Mehrfeldträger verbaut werden, tritt an den Zwischenauflagern, bedingt durch die lokale Eindrückung aus der Auflagerkraft quer zur Bauteilachse, eine Reduktion der Biegetragfähigkeit auf. Die Bestimmung dieser reduzierten Knitterspannung erfolgt gegenwärtig ausschließlich versuchsgestützt mit Hilfe sog. Ersatzträgerversuche nach DIN EN 14509. Forschungsergebnisse zeigten Defizite hinsichtlich der dort verwendeten Randbedingungen auf, sodass die Biegetragfähigkeit überschätzt werden kann oder ungenutzte Reserven vorhanden sind. Ziel der Arbeit war daher die Entwicklung einer Momenten-Auflager-Interaktion, die eine realitätsnahe Bestimmung der reduzierten Knitterspannung ermöglicht. Die Untersuchungen wurden auf den Lastfall Querdruck und auf Sandwichelemente mit PU-Hartschaumkern begrenzt. Zur Erfüllung der Zielsetzung wurde sowohl ein analytischer Berechnungsansatz auf Basis von Spannungsnachweisen nach Theorie II. Ordnung der gebetteten Deckschicht als auch ein versuchsbasierter Interaktionsansatz verfolgt. Mit Hilfe einer breit aufgestellten Versuchsbasis und ergänzenden numerischen Parameterstudien an FE-Modellen wurden die relevanten Einflüsse auf die reduzierte Knitterspannung identifiziert sowie Rückschlüsse auf die Versagensmechanismen gezogen. Im Hinblick auf das analytische Berechnungsverfahren wurden zunächst Untersuchungen zur ungestörten (ideellen) Knitterspannung unter Berücksichtigung linierter Deckschichten sowie der Kerninhomogenität vorgenommen. Entwickelte Näherungslösungen zur ideellen Knitterspannung sowie deren Anwendung in einem analytischen Traglastmodell zeigten insgesamt gute Übereinstimmungen mit numerischen Vergleichsrechnungen. Mit Hilfe numerische Untersuchungen zur lokalen Eindrückung unter dem Zwischenauflager wurden relevante Einflüsse, wie z. B. das Auftreten von Randpressungen, herausgearbeitet. Ein daraus abgeleitetes analytisches Modell zeigte für größere Auflagerbreiten jedoch nur eine mäßige Übereinstimmung mit der Numerik. Auch der analytische Ansatz zur Berechnung der reduzierten Knitterspannung, welcher sich aus einer linearen Spannungsüberlagerung des Modells zur ungestörten Knitterspannung mit dem zur lokalen Eindrückung zusammensetzt, musste letztendlich aufgrund unzureichender Übereinstimmung mit numerischen Vergleichsrechnungen verworfen werden. Dahingegen stellte sich die entwickelte versuchsbasierte Interaktion, die mit Hilfe von zwei Ersatzträgerversuchen mit unterschiedlichen Spannweiten ermittelt werden kann und sich in den momentanen Zulassungsprozess einbinden lässt, als eine geeignete Methode zur Bestimmung der reduzierten Knitterspannung für den Lastfall Querdruck heraus.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Sandwich panels in the construction industry are mainly used as roof and facade cladding in industrial and building construction. Since they are usually installed as multi-span beams, a reduction in the bending capacity occurs at the intermediate supports due to the local indentation from the support reaction transverse to the component axis. The determination of this reduced wrinkling stress is currently carried out exclusively test-based with so-called simulated central support tests according to DIN EN 14509/EN 14509. Research results showed some deficits regarding the boundary conditions used there, so that the bending capacity can be overestimated or unused potentials exist. Therefore, the aim of this thesis was the development of a moment-support interaction that allows a realistic determination of the reduced wrinkling stress. The investigations were limited to the load case of transverse compression and to sandwich panels with a rigid PU foam core. To fulfill the objective, both an analytical approach based on stress proofs according to second order theory of the embedded face sheet as well as a testbased interaction approach were pursued. With the help of a broad experimental base and supplementary numerical parameter studies on FE models, the relevant influences on the reduced wrinkling stress were identified and conclusions drawn about the failure mechanisms. Regarding the analytical calculation model, investigations were initially carried out on the undisturbed (ideal) wrinkling stress, taking into account the lining of the face sheets as well as core inhomogeneity. The approximations developed for the ideal wrinkling stress and their application in an analytical ultimate load model showed good overall agreement with comparative numerical calculations. Numerical investigations of the local indentation under the intermediate support were used to identify relevant influences, such as the occurrence of edge compression. However, an analytical model derived from this showed only moderate agreement with the numerics for larger support widths. The analytical approach for calculating the reduced wrinkling stress, which consists of a linear stress superposition of the model for the undisturbed wrinkling stress with that for the local indentation, also had to be rejected in the end due to insufficient agreement with comparative numerical calculations. Instead, the developed test-based interaction, which can be determined using two simulated central support tests with different spans and can be included in the current approval practice, turned out to be a suitable method for determining the reduced wrinkling stress for the load case of transverse compression.

English
Uncontrolled Keywords: Bauingenieurwesen, Leichtbau, Sandwichelemente, Knitterspannung, reduzierte Knitterspannung Mehrfeldträger, Durchlaufträger, Zwischenauflager
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-238065
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 > Steel Constructions
TU-Projects: DFG|LA1383/10-1|Momenten-Auflager-In
Date Deposited: 26 May 2023 11:34
Last Modified: 31 May 2023 07:11
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23806
PPN: 508172306
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