Punktlasten auf Sandwichelementen Untersuchung zur mittragenden Breite und Querschnittsaktivierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd Naujoks
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534883913

Prinzipiell stehen derzeit viele Millionen Quadratmeter auf großen Hallendächer mit Sandwich-Dachelementen für die Installation von Photovoltaik zur Verfügung - daher hat Baden-Württemberg als erstes Bundesland die verpflichtende Installation solcher Anlagen auf Nicht-Wohngebäuden bereits ab Mitte 2022 gesetzlich verabschiedet. Weitere Bundesländer diskutieren aktuell solche Maßnahmen ebenfalls. Das wesentliche Hindernis einer einfachen und flächendeckenden Installation samt entsprechender statischer Nachweise ist allerdings ein fehlendes, allgemein gültiges mechanisches Modell zur Verteilung der Punktlasten dieser Anlagen auf die Sandwich-Elemente (speziell der Einfluss von lokalen Spannungen und Verformungen auf das globale Versagen der dünnwandigen Deckschicht durch Knittern) - die Querschnittsaktivierung unter Punktlasten, d.h. die Spannungsverteilung innerhalb des Sandwichpanels, ist auf theoretischer Ebene nicht hinreichend geklärt. Die bislang umgesetzten Einzellösungen im Neubau sind über bauaufsichtliche Zulassungen geregelt und daher nicht allgemein übertragbar. Im Bestand ist bisher baurechtlich zwingend eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich, sie ist verbunden mit aufwändigen Versuchsreihen sowie zeit- und kostenintensiven gutachterlichen Stellungnahmen. Abschließendes Ziel des Vorhabens ist der Nachweis, dass eine Bemessung über das Prinzip der mittragenden Breite das komplexe Stabilitätsversagen hinreichend genau erfasst. Hierzu werden umfangreiche Versuchsreihen durchgeführt. Mit bewährter, jedoch erstmalig speziell auf diese Problematik abgestimmter Messtechnik wird mit einer Vielzahl an Dehnmessstreifen und Wegaufnehmern die Spannungsverteilung und das Verformungsverhalten von zwei-feldrigen Sandwichelementen unter Punktlasten eindeutig erfasst. Mit dieser Datenbasis als Grundlage ist eine Validierung numerischer Modelle möglich. Darauf aufbauend werden über die validierten numerischen Modelle auch die messtechnisch nur unzulänglich erfassbaren Spannungs- bzw. Verzerrungszustände des Sandwichpanels ermittelt (z.B. Schubspannungen innerhalb des Kernmaterials). Mittels der numerischen Modelle wird darüber hinaus eine umfangreiche Parameterstudie durchgeführt, um die Bandbreite an möglichen Konfigurationen abzudecken. Dieser Kenntnisgewinn erlaubt im Gegenzug erstmals die Überprüfung abgeleiteter theoretischer Modelle zur Spannungsverteilung bzw. Querschnittsaktivierung. Letztendlich soll so der Bogen gespannt werden, welcher das komplexe Stabilitätsproblem elastisch gebetteter dünnwandiger metallischer Deckschichten mit lokalen Spannungsspitzen in ein einfaches gesichertes Rechenmodell auf Basis der mittragenden Breite überführt. Dies ermöglicht die allgemein gültige Bemessung von Sandwichelementen auch im Bestand - und öffnet so den Weg für eine Nutzung großer Dachflächen durch Photovoltaik. Das Forschungsvorhaben leistet somit indirekt einen hilfreichen Beitrag zur Energiewende.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen