Momenten-Auflager-Interaktion von mehrfeldrig-gespannten Sandwichelementen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei Durchlaufträgern aus Sandwichelementen tritt an den Zwischenauflagern eine Interaktion zwischen dem druckbelasteten Deckblech und der orthogonal dazu wirkenden Auflagerkraft auf, welche die Biegetragfähigkeit reduzieren kann. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden experimentelle, numerische sowie analytische Untersuchungen an Sandwichelementen durchgeführt. Ziel war es, den Einfluss der Querdruckbelastung auf die Knitterspannung von Sandwichelementen zu quantifizieren und in ein Berechnungsmodell zu überführen. Im experimentellen Teil des Vorhabens wurden umfangreiche Materialuntersuchungen an den verwendeten Bauteilen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass der PU-Kern der Elemente eine ausgeprägte Orthotropie und Inhomogenität über die Kernhöhe aufweist. Der E-Modul-Verlauf in Dickenrichtung unterschied sich je nach Hersteller und Bauteilhöhe stark, während beim Schubmodul G XZ vergleichbare Verläufe auftraten. Messungen der geometrischen Vorverformungen in den Deckblechen ergaben wellenförmige Imperfektionen in der Größenordnung bis ca. 0,05 mm. Zur Ermittlung der reduzierten Knitterspannung wurden Ersatzträgerversuche an Dach- und Wandelementen verschiedener Hersteller, Spannweiten, Bauteilhöhen und Deckblechtypen durchgeführt. Es zeigte sich, dass vor allem das Verhältnis zwischen Deckblechnormalkraft und Querlast N/R einen großen Einfluss auf die Reduktion der Knitterspannung hat. Je kleiner das Verhältnis N/R ist, desto größer sind die lokalen Eindrückungen aus der Querlast und desto größer ist die Reduktion. Bei großem N/R-Verhältnis geht die reduzierte Knitterspannung in die „ungestörte“ Knitterspannung ohne Querdruckeinfluss über. Die verwendete Lasteinleitungsbreite hatte ebenfalls Auswirkungen auf die reduzierte Knitterspannung. Eine zunehmende Breite verringerte die lokalen Eindrückungen, was mit einer größeren Traglast einherging. Wie sich durch optische Dehnungsmessungen unterhalb der Lasteinleitung herausstellte, geht die zunächst gleichmäßige Lastverteilung mit zunehmender Lastbreite in eine Randpressung über, was den positiven Effekt der breiteren Lasteinleitung teilweise kompensiert. Im numerischen Teil wurden FE-Modelle unter Verwendung des kommerziellen FE-Programms ANSYS erstellt und mit Hilfe der experimentellen Untersuchungen kalibriert, um damit weiterführende Parameterstudien durchzuführen. Untersuchungen zur lokalen Eindrückung an der Lasteinleitung zeigten, dass diese vor allem vom E- Modul des Kerns, der Biegesteifigkeit des Deckblechs, der Kernhöhe sowie von der Lasteinleitungsbreite L S abhängt. Für das Auftreten von Randpressungen konnte das Verhältnis zwischen Lastbreite und Kernhöhe L S/H als maßgebender Faktor bestimmt werden. Bei LS/H ≤ 0,5 ist die Eindrückung auch bei breiten Auflagern nahezu gleichmäßig verteilt, sodass der positive Effekt auf die Knitterspannung in vollem Umfang ausgenutzt werden kann. Bei Verhältnissen >> 1,0 liegt eine ausgeprägte Randpressung vor. Um deren negativen Effekt zu begrenzen, sollte das Verhältnis auf L S/H ≤ 1 – 1,5 beschränkt werden. Eine analytische Bestimmung der Eindrückung mittels elastisch-gebettetem Balken gelang nur für den Fall einer konzentrierten Einzellast. Untersuchungen zur unplanmäßigen Vorverformung e0, zur Kerninhomogenität und zur Kernfestigkeit ließen Rückschlüsse auf den Versagensmechanismus zu. Bei großen N/R-Verhältnissen trat ein Stabilitätsversagen in Form eines Spannungsversagens im Deckblech nach Theorie II. Ordnung bzw. einer Delamination zwischen Deckblech und Kern auf. Der Einfluss der genannten Parameter war groß. Bei kleinen N/R-Verhältnissen dominierte die lokale Eindrückung. Das Versagen wurde dort durch Fließen des Deckblechs bzw. durch Druckversagen (Fließen) des Kerns ausgelöst. Sowohl Vorverformung als auch Kerninhomogenität zeigten hier nur geringe Auswirkungen. Es wurde ein analytischer Ansatz zur Berechnung der reduzierten Knitterspannung untersucht, welcher die lokale Eindrückung durch eine zusätzliche Lastimperfektion eL abbildet. Da die analytische Bestimmung der Eindrückung für breite Auflager und deren Überführung in eine Ersatzimperfektion bisher nicht gelang und auch die korrekte Erfassung der Bauteilinhomogenität nur numerisch und versuchstechnisch möglich war, wurde der Ansatz zunächst verworfen. Stattdessen wurde ein versuchsbasierter Ansatz vorgeschlagen, welcher den Vorteil hat, dass sämtliche die Traglast beeinflussende Effekte erfasst werden. Mit Hilfe des eingeführten Parameters 𝜃 gelang es, eine (abschnittsweise) lineare Interaktionsbeziehung zur reduzierten Knitterspannung herzustellen. Die korrekte versuchstechnische Ermittlung dieses Interaktionsverlaufs ist allerdings nicht trivial und bedarf weiterer Forschung hinsichtlich der im Versuch anzusetzenden Stützweiten und der Auswirkung verschiedener Bauteilparameter auf den Verlauf der Interaktionsgeraden (Versatz und Abknickpunkte). Zusammengefasst wurden im Rahmen des Forschungsprojekts umfangreiche Erkenntnisse zur Reduktion der Knitterspannung durch eine Querdruckbelastung erlangt sowie Möglichkeiten aufgezeigt, diese versuchstechnisch zu erfassen.
