Zum zeit- und temperaturabhängigen Werkstoffverhalten von Ethylen/Tetrafluorethylen–Folien im Hochbau

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.

Until the 1980s, the desire for a transparent building envelope could only be realized permanently with glass, which is an inflexible, heavy material. Since then, the ductile and very light foils of the fluoropolymer ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE for short) have offered a resource-saving and durable alternative to the established glass. ETFE foils are used in membrane constructions stabilized by pre-stressing. Their synclastic or anticlastic shape adds to the existing canon of shapes. The pre-stressing permanently required for membrane constructions causes permanent stress in the ethylene/tetrafluoroethylene foils. However, the influence of permanent stress on the polymeric material ETFE has been negated. This doctoral thesis deals with this problem. Based on experimental investigations, a practical engineering model of the material behaviour of the ETFE foils as a function of time, temperature and stress level is developed. Time-invariant isothermal short-term tensile tests investigate the influence of temperature on the time-invariant material behaviour of ETFE foils. The strains under long-term stress are observed in time-variant isothermal continuous load tests at different temperatures and different stress levels. Isothermally conducted time-variant load repetition tests show the influence of repeated loading and unloading phases on the ETFE foils. Multiannual continuous load tests under non-isothermal natural climate complete the test program. The material modelling aims at the description of this multi-parameter mechanical behaviour of the ETFE foils, taking into account the influences of time, temperature and stress level. Moreover, in order to enable the practical applicability and mechanical interpretation of the model, the material modelling developed in the context of this thesis uses a time-invariant phenomenological as well as a time-variant rheological approach. In a modular structure, the parameters of the developed model will be identified based on the results of the isothermal short-time tests and the isothermal continuous load tests. The time-invariant stress-strain behaviour is excellently described. When compared, the strains predicted by the material model are very consistent with the strains measured in the isothermal time-variant tests. Subsequently, the material model is tested with regard to its applicability for the description of long-lasting but changing loading and unloading phases. It is concluded that the use of a modified superposition principle allows for a very good illustration in terms of quality and a still sufficient illustration in terms of quantity. For long test durations the development of the strains in non-isothermal continuous load tests carried out under natural climate can only be described in terms of quality. The doctoral thesis concludes with the derivation of an equivalent temperature, which provides the structural engineer with a good starting point for considering the time- and temperature-dependent material behaviour of the ethylene/tetrafluoroethylene films static analysis.