Untersuchungen zum Zwecke der Einführung einer praxisnahen Sandwichtechnik in das Bauwesen PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN Nr. 2548/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben im Auftrage des Ministerpriisidenten Heinz Kuhn vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. O. Jungbluth Institut fur Statik und Stahlbau Technische Hochschule Darmstadt Dr. -Ing. Bert Hofmann Institut fur konstruktiven Ingenieurbau Ruhr-UniversiHit Bochum Untersuchungen zum Zwecke der Einfiihrung einer praxisnahen Sandwichtechnik in das Bauwesen Westdeutscher Verlag 1976 © 1976 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN-13: 978-3-531-02548-3 e-ISBN-13: 978-3-322-88304-9 DOl: 10.1007/978-3-322-88304-9 Vorwort Seit Anfang der 60er Jahre werden im Sinne baustatischer Beanspruchung nichttragende Sandwichbauteile des Werkstoffsystems Stahlfeinblech/Poly urethanhartschaum besonders fur Hallenwiinde im Industriebau eingesetzt, wobei auch erstmalig die groi3technische kontinuierliche Herstellung ge lang. 1m Vortrag N 208 der Rheinisch-Westfiilischen Akademie der Wissenschaf ten: O. Jungbluth "Sandwichfliichentragwerke im konstruktiven Ingenieur bau" (1970) wurde ein Konzept dargestellt, die Sandwichtechnik dieses Ver bundsystems auch fur "tragende Beanspruchung" weiterzuentwickeln. Das Wissenschaftsministerium des Landes Nordrhein-Westfalen griff die Vor schliige auf und forderte dankenswerter Weise das hier vorgelegte For schungsprojekt, das an der Ruhr-Universitiit Bochum und an der Techni schen Hochschule Darmstadt durchgefuhrt wurde. Ziel dieser Forschungsarbeit und des am Institut Stahlbau der TH Darm stadt weitergefUhrten F orschungsfeldes "VerbundfHichentragwerke" ist die Forderung der Entwicklung weitgespannter Dachtragwerke als Trapezpro filplatten und Faltwerke mit Integration bauphysikalischer Eigenschaften wie Wiirmediimmung, Schall- und Brandschutz. Hierbei werden Werkstoff verbundsysteme auf anorganischer und organischer Basis, ihr Kurz- und Langzeitverhalten sowie das Trag- und Versagensverhalten der Bauteile und auch Konzepte fUr automatisierte moglichst kontinuierliche Herstell method en untersucht. Es ist damit zu rechnen, dai3 die Bauteileindustrie, die bereits nichttragen de Sandwichbauteile herstellt, im Laufe des J ahres 1976 nach erfolgter bauaufsichtlicher Zulassung die erst en tragenden Sandwichdachbauteile des Werkstoffsystems Stahlfeinblech/Polyurethanhartschaum in den Markt ein fiihren wird. - IV - Diese in Anbetracht der technologisch schwierigen Materie schnelle Innova tion wurde nicht zuletzt auch dank der Forschungsforderung des Wissen schaftsministeriums des Landes Nordrhein-Westfalen ermoglicht, dem fur die Unterstutzung hiermit nochmals gedankt seL Darmstadt, 21. 11. 1975 Otto Jungbluth I n hal t 1. Entwicklungstendenzen im Bau von Stahlblechflachen- tragwerken 1.1 Gebrauchliche Bauformen weitgespannter Dacher 1 1.2 Blech in weitgespannten Flachendachtragwerken 2 1.3 Versteifungsmoglichkeiten von groBflachigen Blechbauteilen 3 1.4 Sandwichbauweise und deren spezifische Probleme 4 2. Aufgabenstellung und Losunqsweq 5 3. Werkstoffe und Verbund 6 3.1 Stahlfeinblech 6 3.2 Kernwerkstoffe 7 3.2.1 Anforderungen 3.2.2 Mogliche Kernwerkstoffe 3.2.3 Chemischer Aufbau und Herstellung von PUR 3.2.4 Mechanische Eigenschaften von PUR-Hartschaum 3.2.5 Zurr Kriechen von PUR-Hartschaum 3.2.6 Schubkriechversuche 3.2.6.1 Versuchsaufbau 3.2.6.2 Versuchsergebnisse 3.2.6.3 Versuchsauswertung 3.2.6.4 Zusarnrnenfassung 4. Grundsatzliche VorUberlequnqen zur Formfindunq 22 4.1 Diskussion moglicher Querschnittsformen 22 4.2 Tragverhalten von Faltwerken in Stahl/PUR-Sand wichbauweise 24 4.3 Versagensverhalten von Faltwerken in Stahl-PUR Sandwichbauweise 25 4.4 Konstruktive Ausbildung von Stahl/PUR-Sandwich faltwerken 27 4.4.1 Abstufungsmoglichkeiten eines Faltwerkpro- grarnrnes 4.4.2 Anordnung der Langsfugen 4.4.3 Ausbildung der Langsfugen 4.4. 4 .Lorrosionssc~u.~_z, Gefalle, ~armedaI!'Jnung:_ 4.5 Zusarnrnenfassung und restriktive Parameter im FormfindungsprozeB 34 5. Theoretische Grundlagen 35 5.1 Elastischer Verbund des Mehrschichtstabes 35 5.1.1 Herleitung des DGl-Systems fUr den geraden, allgemeinen Mehrschichtstab 5.1.2 Herleitung der DGI fUr den speziellen Drei schichtstab - VI - 5.1.3 Losung der DGI fur den Sandwichstab 5.1.3.1 DGI fur einige ausgewahlte Belastungsf§.lle 5.1.3.2 Rand- und Ubergangsbedingungen 5.1.3.3 Losungen der DGI fur einige spezielle Belastungsfalle 5.1.3.4 Ermittlung der TeilschnittgroBen 5.2 Knittern der Deckschichten 52 5.2.1 Einordnung 5.2.2 Voraussetzungen 5.2.3 DGI der Knitterspannung 5.2.4 Ermittlung des Bettungswertes k 5.2.4.1 Definition 5.2.4.2 Herleitung des DGl-Systems 5.2.4.3 Losungen fur einige baupraktisch wichtige Randbeding-ungen 5.2.4.4 Ermittlung der az-Spannungen und Bettungs- zahl k 5.2.5 Ermittlung der ideellen Knitterspannung 5.2.6 Ermittlung von zulassigen Spannungen 5.2.7 Darstellung der Ergebnisse 6. Querschnittsoptimierunq 73 6.1 Zielfunktion der Optimierung 73 6.2 Parameter der Optimierung 74 6.3 Programm zur Optimierung 75 6.3.1 Optimierungsverfahren 6.3.2 Statische Berechnung 6.3.3 Suchprogramm 6.4 Ergebnisse der Optimierung 80 6.4.1 "Kostengebirge" fur c und f = const. 6.4.2 Minimalkostenkurven 6.4.3 Die optimale Querschnittsgeometrie 7. Traglastversuche an querschnittsoptinierten Stahl/PUR- Sandwichfaltwerken 87 7.1 Ziel der GroBversuche 87 7.2 ModellmaBstab der Versuche 89 7.3 Beschreibung der Prufkorper (Geometrie, Werkstoffe, Herstellung) 90 7.4 Versuchsaufbau 92 7.4.1 Querschnitt, Formhaltung und Auflagerung 7.4.2 QuerstoBe 7.4.3 Lastverteilung 7.5 Versuchs- und MeBprogramm 97 7.5.1 Belastungen 7.5.1.1 Kurzzeitbelastungen 7.5.1.2 Langzeitbelastungen - VII - 7.5.2 MeBwertgeber 7.5.3 MeBstellenanordnung und Versuchsprogramm 7.5.3.1 Vorversuche A 7.5.3.2 Versuch N1 7.5.3.3 Versuche N2 bis N5 7.5.3.4 Versuch N6 7.5.3.5 Versuche N7 bis N9 7.6 Versuchsergebnisse der Werkstoffprlifungen 111 7.6.1 We~kstoffprlifungen an den Stahldeckschichten 7.6.2 Werkstoffprlifungen an den PUR-Hartschaum- Kernschichten- 7.6.2.1 Dichte 7.6.2.2 Mechanische Eigenschaften 7.6.2.3 Auswirkungen der Werkstoffprlifungen auf die Versuchsauswertung 7.6.3 Prlifung des Haftverbundes 7.7 Versuchsergebnisse der GroBversuche 119 7.7.1 Aufbereitung und Darstellung der MeBergebnisse 7.7.1.1 Der erste Auswerteschritt 7.7.1.2 Der zweite Auswerteschritt 7.7.1.3 Der dritte Auswerteschritt 7.7.1.4 Der vierte Auswerteschritt 7.7.1.5 Der flinfte Auswerteschritt 7.7.2 Bewertung und Diskussion der Versuchsergebnisse 7.7.2.1 Trag- und Verformungsverhalten bei Kurz zeitbelastung 7.7.2.2 Trag- und Verformungsverhalten bei Lang zeitbelastung 7.7.2.3 Versagensverhalten und Traglasten 7.7.2.4 Bemessungsvorschlage 8. s rofilierten Stahl- 161 8.1 Ziel der Detailversuche 161 8.2 Sickenprlifkorper 162 8.3 Versuchsaufbau der Sickenversuche 164 8.4 ImperfektionsmeBgerat 167 8.5 Ergebnisse der Sickenversuche 168 8.5.1 Imperfektionsmessungen 8.5.2 Werkstoffprlifungen 8.5.3 Versagensverhalten - Traglasten 8.6 Auswertung der Ergebnisse der Sickenversuche 177 8.6.1 Allgemeine Ergebnisse 8.6.2 Ergebnisse der Sickenversuche B360-0-••• 8.6.3 Ergebnisse der Sickenversuche B61-6-..• und B34-6-•.• 9. Zusammenfassung und Ausblick 183 - VIII - Literatur 189 Bilderanhang 193 Fetes bis 3 Schubkriechversuche Fetes 4 bis 6 Versuchsaufbau der GreBversuche Fetes 7 bis 9 Knitterwellen der Versuche A Fetes 10 bis 12 Kni ttenlellen der Versuche N1 bis N5 Fetes 13 bis 15 Knitterwellen der Versuche N6 bis N9 Fetes 16 bis 18 Versuchsaufbau der Sickenversuche Fetes 19 bis 21 Knitterwellen bei ebenen Deckschichten Fetes 22 bis 23 Versagensfermen bei breiten Sicken Fetes 24 bis 27 Versagensfermen bei schmalen Sicken Tafelanhang 203 Tafel A: Durchsenkungen und TeilschnittgroBen des Drei schichtstabes bei elastischem Verbunrl Tafel B: Verfermungszustand, Randebenen-Gpannungen und Bettungswerte beim Knittern ven ebenen Deck schichten Tafel C: FluBdiagramm des Optimierungspregrarrmes - IX - Verzeichnis der Abbildungen Abb. 1: Festigkeiten und Moduli von Polyurethan- Hartschaumen 12 Abb. 2: Versuchsaufbau der Schubkriechversuche 14 Abb. 3: Gesamtdurchsenkungen in Feldmitte bei den Schubkriechversuchen 18 Abb. 4: Moglichkeiten der Abstufungen eines Palt werkprogrammes und der Anordnung Qer Langsfugen 29 Abb. 5: Vergleich der Aufrichthohen der Deck- schichten und Steighohen des PUR-Schaurnes 30 Abb. 6: Vorschlage zur Langsfugenausbildung 32 Abb. 7: Zusammenstellung der restriktiven Parameter 35 Abb. 8: Gesamt- und TeilschnittgroBen am Mehr- schichtstab 36 Abb. 9: Gleichgewicht eines Schichtelernentes 37 Abb. 10: Verformungen eines Schichtelementes 38 ~..bb. 11: Verforrnungen eines Stabquerschnittes 39 Abb. 12: Querschnitts- und TeilschnittgroBen des speziellen Dreischichtstabes 41 Abb. 13: Spezifische Anderung der TeilschnittgroBen bei elastischem Verbund und Gleichstrecken last 50 Abb. 14: Spezifische Anderung der TeilschnittgroBen bei elastischem Verbund und Einzellast in Feldmitte 50 Abb. 15: Hochhausscheibe als Dreischichtstab 51 Abb. 16: Beulkurven fUr Sandwich-Plattenstreifen mit dUnnen Deckschichten 53 Abb. 17: Elastische Bettung der Deckschicht 56 Abb. 18: Deforrnationsfigur der ausgebeulten Deck schicht 56 Abb. 19: Normal- und Schubspannungsverlaufe in der Kernschicht beim Knittern oer Deck schichten 61 Abb. 20: Diagrarnm zur graphischen Ermittlung der Knitterspannung und der zugehorigen Knit terhalbwellenlange 64 Abb. 21: Knitterwerte k fUr Sandwichdeckschichten 70 - X - Abb. 22: Knitterspannungen und zul. Druckspannungen fur Blechdicken von f = 0,75 und 1,25 rom 72 Abb. 23: Querschnittsgeometrie des Stahl/PUR-Sand wichfaltwerkes 74 Abb. 24: Bezeichnungen im Querschnitt des Stahl/PUR Sandwichfaltwerkes 76 Abb. 25: Bestim~ung des optirnalen Aufrichtwjnkels ~ op t 78 JI.bb. 26: Besti~mung der materialkostengunstigsten Gurtscheibenbreite bopt 79 Abb. 27: "Kostengebirge" fur eine Kernschichtdicke = von c 80 mm und Deckschichto.icken von = f 0,75 und 1,25 rom 81 Abb. 28: Minimalkostenkurven fur f = 0,75 mm Ir.i t zugehorigen Querschnittswerten 82 Abb. 29: Zusammenstellung der Minimalkostenkurven fur f = 0,75 bis 1,50 mrr uncI c = 80 bis 120 mm 84 Abb. 30: Kostenlandschaft fur L = 18 m 86 Abb. 31: Formhaltung durch Distanzhalter und Auf lagerrahnen 93 Abb. 32: StoBausbildung und Lastverteilung 94 Abb. 33: Mogliche Konstruktionsform von Sandwich tragwerken mit uberwiegender Obergurt belastung 95 Abb. 34: Versuchsaufbau cer GroBversuche 96 Abb. 35: Anordnung der ~1eBwertgeber bei den Ver suchen A 101 Abb. 36: Anordnung der MeBwertgeber bei den Ver suchen N1 - N 5 103 Abb. 37: Anordnung der MeBwertgeber bei Versuch N6 106 Abb. 38: Ideelle und abgeminderte Knitterspannungen fur St 37 bei versteifungsprofilierten Deckschichten 109 Abb. 39: Moglichkeiten der Versteifungsprofilierung 110 Abb. 40: Anordnung der MeBwertgeber bei den Ver suchen N7 - N9 111 Abb. 41: Bruchbilder und cr/£-Diagramrre der Deck schichtstahle 112 Abb. 42: Dichteprofile der PUR-Hartschaum-Kernschicht 113 Abb. 43: cr/£-Diagra~me aus Gurt- und Stegscheiben 116
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