Neu hier?

Dann möchten wir Ihnen kurz auf unserer Tour zeigen, wie Sie bei unserem Portal rund um das Thema Engineering mitmachen können und wie sie davon profitieren.

Hier geht's zur Tour!

Literatur : [ Faserverbund/Kunststoffe | Korrosion/Beschichtung | Verschiedenes | Fertigung/ Prozesse ]

ETFE-Folie als Tragelement


Karsten Moritz: ETFE-Folie als Tragelement, München 2007

Zusammenfassung

Es ist eine wissenschaftliche Erkenntnis und damit ein Fortschritt zu sehen, dass ETFE-Folien seit etwa 25 Jahren als architektonisches Element und tragendes Bauteil im Hochbau eingesetzt werden. Und dies unter Bedingungen wie denen, dass bereits einige hundert Projekte unter Verwendung dieses Werkstoffes gebaut wurden, ohne dass seine Tragfähigkeit in dem Maße bekannt und dokumentiert worden ist, wie dies vergleichsweise bereits für andere Werkstoffe des Bauwesens geschehen ist.

Dem Ansinnen nach gemäß beinhaltet die vorliegende Arbeit eine Datenauswertung von mehr als zweihundert ETFE-Projekten im Hinblick auf die bislang realisierten Formen, Bauarten, Nutzungen und Standorte. Bestehende Bemessungskonzepte sowie die in der Praxis angewendeten Prüfmethoden zur Erfassung des mechanischen Verhaltens der ETFE-Folien werden vorgestellt und diskutiert. Dazu kommt, dass neben der Aufarbeitung und der Dokumentation des derzeitigen Wissensstandes die Auswertungen mechanischer Versuche an ETFE-Probekörpern Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit sind. Wesentliche Grundlagen bilden Messdaten aus Versuchen, die von einem Folienhersteller und einem Granulathersteller durchgeführt wurden. Anderes Mittel sind Versuche, die von einem Konfektionär aus Anlass eines konkreten größeren Projektes bei einer Universität im Vorfeld in Auftrag gegeben worden sind.

Verschiedene Bedingungen generieren verschiedene Auswirkungen

Die Auswertung monoaxialer und biaxialer Kurzeittests sowie Dynamisch-Thermisch-Mechanischer Analysen (DMA) bei unterschiedlichen Temperaturen und Dehngeschwindigkeiten zeigen ein nichtlineares viskoelastisches Werkstoffverhalten. Die für die Praxis wichtigen Kenngrößen E-Modul, Schubmodul und Querkontraktionszahl sowie die für eine Bemessung erforderlichen Grenzwerte der Spannungen und Dehnungen (Kriechgrenze, Fließgrenze und Bruchgrenze) sind von der Temperatur, der Zeit und der Belastung abhängig. Die Auswertungen zeigen, dass sich eine Erhöhung der von der Zeit abhängigen Dehngeschwindigkeit auf die Spannungs-Dehnungs-Beziehung genauso auswirkt wie eine dementsprechende Absenkung der Temperatur.

Vorläufige Ergebnisse

Zu sagen ist außerdem, dass diese Eigenschaft von Polymeren als eine Zeit-Temperatur-Verschiebung (ZTV) bekannt ist. Mit Hilfe der Kurzzeitzugversuche und der DMA wurde die Größenordnung der ZTV erstmals für ETFE-Folien im baupraktischen Temperatur- und Dehngeschwindigkeitsbereich gezeigt. Damit liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse für die Bemessung und den Nachweis von Tragelementen aus ETFE-Folie. Darüber hinaus beinhaltet sie Ansatzpunkte für weitere Werkstoffuntersuchungen zur Herleitung eines allgemeinen Werkstoffgesetzes und zur Aufstellung eines probabilistischen Bemessungskonzeptes für ETFE-Folien.

Methoden und Anwendungen

Innerhalb der Arbeit werden verschiedene geeignete Materialien und Verfahrensweisen unter die Lupe genommen und geprüft. Damit liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse für die Bemessung und den Nachweis von Tragelementen aus ETFE-Folie. Darüber hinaus beinhaltet sie Ansatzpunkte für weitere Werkstoffuntersuchungen zur Herleitung eines allgemeinen Werkstoffgesetzes und zur Aufstellung eines probabilistischen Bemessungskonzeptes für ETFE-Folien. Entsprechende prüfende Verfahren und der des Themas angemessenen Forschungsvorhaben und der Analyse anhand der vorgestellten Modelle wurden durchgeführt und eingehend analysiert und überprüft. Damit liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse für die Bemessung und den Nachweis von Tragelementen aus ETFE-Folie. Darüber hinaus beinhaltet sie Ansatzpunkte für weitere Werkstoffuntersuchungen zur Herleitung eines allgemeinen Werkstoffgesetzes und zur Aufstellung eines probabilistischen Bemessungskonzeptes für ETFE-Folien.

Zusammenfassung und Ausblick

Die vorgestellten statischen Zugversuche stellen lediglich eine von mehreren Methoden der Beobachtung mechanischer Verhaltensweisen dar. Die bislang durchgeführten Versuche dienten vorrangig der Einschätzung der ETFE-Folie unter praxisnahen Versuchsbedingungen. Für die Aufstellung eines allgemeinen Werkstoffgesetzes und zur Herleitung eines probabilistischen Bemessungskonzeptes wären weitere Versuchsreihen mit jeweils konstanten Temperaturen, Dehngeschwindigkeiten und Spannungszuständen erforderlich. Strukturelle und energetische Untersuchungen sollten zur Bestätigung der mechanischen Versuche herangezogen werden. Insbesondere die dynamisch-thermisch-mechanische Analyse (DMA) ist ein geeignetes Verfahren zur Klärung grundsätzlicher Zusammenhänge zwischen Zeit und Temperatur. In der Literatur ist der wichtige Hinweis zu finden, dass das mechanische Verhalten von Polymerwerkstoffen auch von der Luftfeuchtigkeit abhängen kann. Dieser Hinweis wurde bisher wenig beachtet, so dass der Parameter während der Versuche nicht immer ausgewiesen oder dokumentiert wurde. Ob der Einfluss bei ETFE-Folien signifikant ist, muss vorrangig gezeigt werden, bevor mit weiteren Versuchen unter Separierung der nun bekannten Parameter Temperatur, Dehngeschwindigkeit und Spannungszustand begonnen wird. Für die Herleitung exakter Beziehungen sind im Bereich der Fließgrenze ggf. die wahren Dehnungen und wahren Spannungen zugrunde zu legen, die sich auf das Intervall, also auf die unter Last verformte Geometrie beziehen. Bis zur Proportionalitätsgrenze sind nach einschlägiger Literatur jedoch keine signifikanten Abweichungen bei Ansatz technisch definierter Größen, die sich auf die unbeanspruchte Ausgangsgeometrie beziehen, zu erwarten. Gemäß Literaturangaben scheint es derzeit aber unklar zu sein, ob der Ansatz wahrer Spannungen und Dehnungen auch im Bereich sehr großer Dehnungen, also bis zum Brucheintritt, möglich und vor allem sinnvoll ist. Es seien zunächst folgende Untersuchungen empfohlen, hinsichtlich der Glasübergangstemperatur, der Kriechbedingung (Kriechgrenze), der Fließbedingung (Fließgrenze), der Bruchbedingung (Bruchgrenze), der Zeit-Temperatur-Verschiebung, der Langzeitfestigkeit (Zeitstandsbruchversuche), dem Semiprobabilistischen Bemessungskonzept, dem Werkstoffgesetz sowie der konstruktiven Einflüsse auf eine probabilistische Bemessung. Eine insgesamte konstruktive, technische und ausführliche Analyse führt damit zum konstruktiven und formvollendeten wissenschaftlichen Ergebnis.

Vollständige Dissertation