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 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278626677

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das zentrale Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Genauigkeit der Finite Elemente (FE) Simulation von Textilmembranen signifikant zu steigern, um damit Schadenfreiheit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Membranbauwerken zu verbessern. Zentrales Augenmerk galt der Praktikabilität der entwickelten Simulationsmethoden in der Ingenieurspraxis, sowie der ökonomischen Durchführbarkeit der hierfür erforderlichen experimentellen Analysen. Die Analyse und Modellierung des eingespielten, elastischen Verhaltens sowie Lastgeschichtsabhängigkeiten der Spannungs-Dehnungspfade standen dabei im Vordergrund. Es zeigte sich, dass deutlich mehr Lastzyklen erforderlich sind, um den eingespielten Zustand in guter Näherung zu erreichen, als in der Praxis üblicherweise untersucht werden. Nicht gänzlich vernachlässigbare Lastgeschichtsabhängigkeiten und der damit verbundene Einfluss auf das Strukturverhalten wurden ebenfalls gezeigt. Zur Optimierung der Materialmodellierung wurden für das eingeschwungene elastische Verhalten ein polykonvexes hyperelastisches Materialmodell sowie eine adaptive, spannungsverhältnisabhängige Methode entwickelt, die große Verbesserungen des in der Praxis weit verbreiteten rein linear elastischen Materialmodells gezeigt haben. Darüber hinaus wurde ein anisotropes visko-elastoplastisches Stoffgesetz entwickelt, welches die Spannungs-Dehnungshysteresen beschreiben kann. Parallel zur Entwicklung der Materialmodelle waren Methoden für deren Parameterbestimmung einschl. eines neuartigen kleinskaligen Versuchsstands sowie die grundsätzliche Quantifizierung der Eigenschaften wichtige Inhalte des Projekts. Dabei hat sich gezeigt, dass die Berücksichtigung der Spannungsverhältnisabhängigkeit und der Gebrauchsspannungshöhe einen deutlichen positiven Einfluss auf den Fit der Steifigkeitsparameter in allen Materialmodellen hat. Die Steifigkeit ist außerdem mit der Zugfestigkeit korreliert. Steifigkeitskennwerte egal welchen Materialmodells lassen sich anhand der Zugfestigkeit klassifizieren. Zur Berücksichtigung des elastischen Zustands ohne experimentelle Untersuchung tausender Lastzyklen wurde eine Extrapolationsmethode entwickelt, die es ermöglicht die Steifigkeitsparameter der verschiedenen Materialmodelle in guter Näherung aus Biaxversuchen mit nur 20 Lastzyklen abzuschätzen. Um die entwickelten Modellierungsansätze bzw. Methoden zur Parameterbestimmung zu validieren, wurde ein neuartiger großskaliger Membranbauteilversuchsstand entwickelt und gebaut. Er ermöglicht die Messung vorgespannter ebener oder räumlich gekrümmter Membranstrukturen unter wechselnden Flächenlasten und bietet damit Referenzdaten für vergleichende FE Simulationen.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.17185/duepublico/83772

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• On the Modeling of Textile Membranes with Nonlinear Anisotropic Material Behavior. PAMM, 17(1), 433-434.
  Motevalli, Mehran; Balzani, Daniel; Uhlemann, Jörg & Stranghöner, Natalie
  
• Saturation behaviour and load-induced thickness change of woven glass fibre fabrics, Proceedings of the International Conference on Textile Composites and Inflatable Structures, STRUCTURAL MEMBRANES 2017, Munich, Germany, October 9-11, 2017
  Uhlemann, J., Balzani, D., Stranghöner, N. & Motevalli, M.
  
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  Uhlemann, Jörg & Stranghöner, Natalie
  
• Experimentelle Simulation von ebenen Membranbauteilen unter Flächenlast zur Validierung von Materialmodellen, in: Stranghöner, N., Uhlemann, J. (Hrsg.), 4. Essener Membranbau Symposium, Shaker Verlag, Aachen, 2018
  Uhlemann, J. & Stranghöner, N.
  
• A new nonlinear polyconvex orthotropic material model for the robust simulation of technical fabrics in civil engineering applications at large strains – Validation with large-scale experiment/Ein neues polykonvexes orthotropes Materialmodell zur robusten Simulation von Textilmembranen im Bauingenieur- wesen unter Berücksichtigung großer Deformationen – Validierung anhand eines Großbauteilversuchs. Bauingenieur, 94(12), 488-497.
  Motevalli, Mehran; Uhlemann, Jörg; Stranghöner, Natalie & Balzani, Daniel
  
• Architectural woven fabrics: Is it possible to classify stiffness values in correlation with strength values?, Proceedings of the TensiNet Symposium, Milano, Italy, June 3-5, 2019, S. 339- 350, 2019
  Uhlemann, J. & Stranghöner, N.
  
• Geometrically nonlinear simulation of textile membrane structures based on orthotropic hyperelastic energy functions. Composite Structures, 223, 110908.
  Motevalli, Mehran; Uhlemann, Jörg; Stranghöner, Natalie & Balzani, Daniel
  
• Orthotropic Hyperelastic Energy Functions for the Geometrically Nonlinear Simulation of Textile Membrane Structures. PAMM, 19(1).
  Motevalli, Mehran; Balzani, Daniel; Uhlemann, Jörg & Stranghöner, Natalie
  
• Architectural woven polyester fabrics: examination of possible classification of stiffness values in correlation with strength values. Architectural Engineering and Design Management, 17(3-4), 281-298.
  Uhlemann, Jörg; Stranghöner, Natalie; Motevalli, Mehran & Balzani, Daniel
  
• Saturation of the stress-strain behaviour of architectural fabrics. Materials & Design, 191, 108584.
  Uhlemann, Jörg; Surholt, Felix; Westerhoff, André; Stranghöner, Natalie; Motevalli, Mehran & Balzani, Daniel
  
• The Elastic Share of Inelastic Stress–Strain Paths of Woven Fabrics. Materials, 13(19), 4243.
  Motevalli, Mehran; Uhlemann, Jörg; Stranghöner, Natalie & Balzani, Daniel
  
• Efficient identification of material parameters based on experiments providing full‐field kinematics. PAMM, 20(1).
  Makhool, Lubna & Balzani, Daniel
  
• Mechanical saturation of common architectural coated fabrics. 10th edition of the conference on Textile Composites and Inflatable Structures. CIMNE.
  Uhlemann, J.; Stranghöner, N.; Motevalli, M. & Balzani, D.
  
• Stress-ratio-dependent material parameters for improved numerical simulations of textile membrane structures. In K.-U Bletzinger, E. Ońate, R. Wüchner, and C. Lázaro, editors, X International Conference on Textile Composites and Inflatable Structures, Structural Membranes, Munich, Munich, 2021.
  Motevalli, M. & Balzani, D.
  
• Unique identification of stiffness parameters for nonlinear, anisotropic textile fabrics based on full‐field measurements on a single experiment. PAMM, 21(1).
  Makhool, Lubna & Balzani, Daniel
  
• Continuum Mechanical Modeling of the Inelastic Response of Woven Textile Membranes. PAMM, 23(1).
  Makhool, Lubna & Balzani, Daniel
  
• Does the stress-strain behaviour of PTFE-coated glass fibre fabrics depend on the load history?. XI Textile Composites and Inflatable Structures. CIMNE.
  Uhlemann, J. & Stranhöner, N.
  
• Efficient identification of material parameters for an orthotropic hyperelastic nonlinear material model for textile membranes. Construction and Building Materials, 378, 131114.
  Motevalli, Mehran & Balzani, Daniel
  
• Enhancement in the Numerical Simulation of Textile Fabrics by Local Calculation of Stress‐Ratio‐Dependent Material Parameters. PAMM, 23(1).
  Motevalli, Mehran & Balzani, Daniel
  
• Practical application of a stress-ratio dependent adaptive material model in the structural analysis of textile structures, in: Proceedings of the TensiNantes 2023, Nantes, France, June 7-9, 2023
  Uhlemann, J., Motevalli, M., Stranghöner, N. & Balzani, D.
  
• Bauteilversuchsstand für die Untersuchung des Großbauteiltragverhaltens von Gewebestrukturen und erste Validierungen elastischer Konstanten, in: Stranghöner, N., Uhlemann, J. (Hrsg.), 6. Essener Membranbau Symposium, Shaker Verlag, Aachen, 2024
  Uhlemann, J., Surholt, F., Westerhoff, A. & Stranghöner, N.
  
• Investigations into load history dependencies in the stress-strain behaviour of PVC-coated polyester fabric, in: Proceedings of the IASS 2024 Symposium, Redefining the Art of Structural Design, Zürich, Schweiz, 26-30 August, 2024
  Uhlemann, J. & Stranghöner, N.
  
• Load history dependency of stiffness properties of PTFE-coated glass fibre membranes. Composite Structures, 347, 118440.
  Uhlemann, Jörg; Makhool, Lubna; Motevalli, Mehran; Westerhoff, Andre; Stranghöner, Natalie & Balzani, Daniel
  
• Unique Identification of Stiffness Parameters in Hyperelastic Models for Anisotropic, Deformable, Thin Materials Based on a Single Experiment - A Feasibility Study Based on Virtual Full-Field Data. Experimental Mechanics, 64(3), 353-375.
  Makhool, L. & Balzani, D.