Charakterisierung des nichtlinearen viskoelastischen Materialverhaltens von ETFE- und ECTFE-Folien zum Einsatz in Membranstrukturen des Bauwesens

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Natalie Stranghöner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427405088

Der Membranbau umfasst als Überbegriff Konstruktionen aus technischen Textilien und den im vorliegenden Antrag behandelten technischen Folien. Beide weisen ein sehr geringes Eigengewicht auf, wodurch sie bei weiten, stützenlosen Überspannungen von Flächen im Dachbereich und in der Fassade verwendet werden. Für Membranstrukturen aus Folien wird bisher nur ein Folientyp eingesetzt: Folien aus Ethylen-Tetraflourethylen (ETFE). ETFE-Folienkonstruktionen sind eine vergleichsweise junge Bauart. Ein weiterer möglicher Folienwerkstoff ist Ethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE), der bisher nicht in Membranstrukturen eingesetzt wird. ETFE-Folien weisen in mono- und biaxialen Zugversuchen ein nichtlineares viskoelastisches Materialverhalten auf. Zum derzeitigen Stand fehlen jedoch sowohl für den bereits eingesetzten Folienwerkstoff ETFE als auch für den neuen Folienwerkstoff ECTFE grundlegende Kenntnisse zum mechanischen Verhalten unter variierenden Randbedingungen wie z. B. Temperaturen oder Belastungsgeschwindigkeiten.Das zentrale Forschungsziel dieses Antrags ist es, grundlegende Wissenslücken bezüglich der Charakterisierung und Modellierung des mechanischen Materialverhaltens zu schließen. Dafür ist das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von ETFE- und ECTFE-Folien in mono- und biaxialen Kurzzeitzugversuchen grundlegend zu studieren und zu erfassen, inklusive aller Materialkenngrößen (Elastizitätsmoduln, Querkontraktionszahlen, Fließspannungen und -dehnungen, Zugfestigkeiten, Bruchdehnung etc.). Des Weiteren ist das mono- und biaxiale Kriech- und Relaxationsverhalten in Langzeitzugversuchen für beide Folienarten zu untersuchen. Da Membrankonstruktionen mehrachsig gespannt sind, ist das biaxiale Materialverhalten für die Auslegung maßgebend. Da die biaxiale Materialcharakterisierung mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist, besteht ein Forschungsziel darin, eine Korrelation zwischen dem mono- und biaxialen Materialverhalten zu entwickeln und analytisch zu beschreiben.Zum Erreichen der Forschungsziele werden sowohl das Zugtragverhalten (mono-/biaxial) als auch das Kriech- und Relaxationsverhalten (mono-/biaxial) unter Berücksichtigung der Einflussparameter Materialdicke, Probengeometrie, Temperatur, Dehngeschwindigkeit, Spannungsverhältnis im biaxialen Spannungszustand und Belastungsvorgeschichte detailliert untersucht. Materialien verschiedener Hersteller werden einbezogen. Kennwerte als Qualitätsmerkmale sowie Festigkeitskennwerte als bemessungsrelevante Größen für synklastische, antiklastische und ebene Strukturen werden auf Basis der experimentellen Ergebnisse festgelegt. Analytische Modelle zur Beschreibung des nichtlinearen, viskoelastischen Spannungs-Dehnungs- sowie und des Kriech- und Relaxationsverhaltens im mono- sowie biaxialen Zustand werden entwickelt. Die entwickelten Methoden und Modelle werden ferner in Großbauteilversuchen an einem vorhandenen Großbauteilversuchsstand validiert und durch numerische FE-Parameterstudien erweitert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen