Charakterisierung und Modellierung des nichtlinearen Materialverhaltens von beschichteten Geweben für Membranstrukturen im Bauwesen II

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Balzani; Professorin Dr.-Ing. Natalie Stranghöner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278626677

Die adäquate Erfassung der Materialsteifigkeit stellt die entscheidende Grundlage für die Modellierung von textilen Membranen in FE-Modellen und damit für die Ermittlung von Beanspruchungen und Verformungen in den Membranen und in der Unterkonstruktion dar, um Schadenfreiheit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Membranbauwerken zu gewährleisten. Das zentrale Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Genauigkeit der Simulation von Textilmembranen signifikant zu steigern. Zentrales Augenmerk gilt dabei der Praktikabilität der entwickelten verbesserten Simulationsmethoden in der Ingenieurspraxis, sowie der ökonomischen Durchführbarkeit der hierfür erforderlichen experimentellen Analysen. In Phase I standen vor allem die Ermittlung des eingeschwungenen, elastischen Verhaltens, die grundsätzliche Entwicklung großskaliger Bauteilversuche, die Entwicklung zuverlässiger, validierter, hyperelastischer Stoffgesetze und Methoden für deren Parameterbestimmung sowie die grundsätzliche Quantifizierung der Eigenschaften im Vordergrund. Dabei hat sich gezeigt, dass die Spannungsverhältnisabhängigkeit der Eigenschaften einen deutlichen Einfluss hat und selbst mit einem nichtlinearen Stoffgesetz nur unzureichend für allgemeine Strukturprobleme abgebildet werden kann. Eine spannungsverhältnisabhängige Beschreibung auf Basis der linear-elastischen sowie einer polykonvexen, hyperelastischen Materialformulierung versprechen daher signifikant verbesserte Struktursimulationen. Ferner ist die Annahme eines eingespielten, elastischen Verhaltens für die Strukturanalyse nur idealisiert zulässig. Im Verlauf vieler, verschiedenartiger Lasten auf ein Bauwerk, treten zusätzliche permanente Dehnungen auf, die die ursprünglich geplante Vorspannung reduzieren und damit massiv die Strukturantwort beeinflussen. Die Berücksichtigung von Wechseln der Spannungsverhältnisse in der Lastgeschichte ist dabei von zentraler Bedeutung. Diese Lücken sollen in Phase II geschlossen und dafür geeignete, weitergehende Modellierungsansätze sowie experimentelle Methoden entwickelt, untersucht und validiert werden. Im Einzelnen sind die Neuerungen:1. die Vereinfachung der Bestimmung der Materialparameter von Textilmembranen durch Entwicklung einer neuen Methode, die Parameter in situ aus einem einzigen Großbauteilversuch mit überschaubarer Anzahl von Lastzyklen zu bestimmen, 2. die Integration der spannungsverhältnisabhängigen Eigenschaften des linear-elastischen sowie des nichtlinearen Modells durch eine neue adaptive Simulationsmethode und damit signifikante Steigerung der Modellierungsqualität für beliebige Strukturprobleme,3. die Vervollständigung beider Materialmodellansätze durch gezielte Berücksichtigung des Schubverhaltens, 4. die Analyse und Modellierung der Geschichtsabhängigkeit des Materialverhaltens und die Entwicklung einer Methode zur vereinfachten Berücksichtigung dieser im Rahmen elastischer Strukturberechnungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen