Nichtlineare und zeitabhängige viskoplastische Materialeigenschaften von ETFE-Folien als Membranelemente mit multiaxialen Spannungszuständen im Bauwesen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Natalie Stranghöner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527832586

Im Membranbau werden Folien aus Ethylen Tetrafluorethylen (ETFE) meist an prestigeträchtigen Gebäuden als abschließende Dach- oder Fassadenkonstruktionen eingesetzt, wobei sie durch ihre hohe Transluzenz und ihrem geringen Eigengewicht bestechen, sodass große, stützenlose Spannweiten ermöglicht werden. Bei der Auslegung von ETFE-Folienkonstruktionen werden die infolge der angreifenden Belastung multi¬axial auftreten¬den Spannungen in den ETFE-Folien in biaxial ausgerichtete orthogonal zueinanderstehende Hauptspannungen vereinfacht. Obwohl das multiaxiale Tragverhalten maßgebend ist, wird sich damit auf monoaxial bestimmte Materialkennwerte gestützt. Hierdurch kommt es zu defizitären Ansätzen bezüglich der Materialeigenschaften und des Bauwerktragverhaltens. Um diesen Umstand entgegenzuwirken, ist das Material- und Tragverhalten von ETFE-Folien in multiaxialen Spannungszuständen zu untersuchen. Derzeit wird lediglich das biaxiale Materialverhalten anhand kreuzförmiger Probeköper ermittelt, wobei sich aufgrund der geschlitzten kreuzförmigen Probekörpergeometrie stets ein Probekörper- und kein Materialversagen einstellt und das eigentliche biaxiale Gesamtmaterialverhalten nicht erfasst werden kann. In STR 482/6-1 konnte die Antragstellerin zeigen, dass das multiaxiale, nichtlineare, viskoelastische bis viskoplastische Materialverhalten von ETFE-Folien nicht mit biaxialen Prüfständen erfasst werden kann, sondern in multiaxialen Versuchsständen zu untersuchen ist. In multiaxialen Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass sich im multiaxialen Spannungszustand im Vergleich zum monoaxialen Spannungszustand nicht zu vernachlässigende materialverfestigende und –versteifende Effekte einstellen. Ziel dieses Vorhabens ist es, das viskoplastische Materialverhalten von ETFE-Folien sowie das Verfestigungs- und Versteifungsverhalten in multiaxialen einfachen sowie zyklischen Belastungen zu analysieren und zu charakterisieren. Materialreserven sind zu identifizieren, um die Anwendungsfelder der ETFE-Folien in Membranstrukturen des Bauwesens zu erweitern sowie die Bemessung dieser Folientragwerke sicherer und gleichzeitig ökonomischer gestalten zu können. Hierbei sind die derzeitigen Strukturformen – antiklastisch und synklastisch – sowie Einflüsse aus variierenden Dehngeschwindigkeiten, variierenden Prüftemperaturen, verschiedenen Foliendicken und Folienprodukten auf das multiaxiale Tragverhalten der ETFE-Folien zu erfassen. Die in STR 482/6-1 generierten analytischen Modelle, Korrelationen und Methoden zur Beschreibung des mono- und biaxialen Materialverhaltens sollen auf Basis von durchzuführenden Multiaxversuchen und numerischen Parameterstudien weiterentwickelt werden, sodass das multiaxiale, viskoplastische Materialverhalten analytisch modelliert sowie die Materialverfestigungs-, Materialversteifungs- und Saturierungseffekte durch zyklische Belastungen berücksichtigt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen