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Forschungsbericht: Festigkeits- und Verformungsverhalten von Fugendichtstoffen (FDS) und Fugenbändern (FB) in Kreuz- und T-Stößen zur Entwicklung eines Prüfverfahrens. Tl.1. Festigkeits- und Verformungsverhalten von Fugendichtstoffen (FDS). Abschlussbericht

Festigkeits- und Verformungsverhalten von Fugendichtstoffen (FDS) und Fugenbändern (FB) in Kreuz- und T-Stößen zur Entwicklung eines Prüfverfahrens. Tl.1. Festigkeits- und Verformungsverhalten von Fugendichtstoffen (FDS). Abschlussbericht

Bauforschung, Band T 3067
Bernd Hillemeier, Brigitte Westphal-Kay
TU Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Baustoffe und Baustoffprüfung
2005, 144 S., zahlr. Abb. u. Tab.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

Für Fugendichtstoffe (FDS) in Anlagen zum Lagern, Abfüllen und Umschlagen wassergefährdender Stoffe (LAU-Anlagen) hat das Deutsche Institut für Bautechnik Berlin (DIBt) neue Zulassungsgrundsätze erarbeitet. Sie sehen die Prüfung des Fugendichtstoffs wie in einer Parallelfuge vor. Die Fugendichtstoffe werden im T- oder Kreuzstoß komplex beansprucht. Das in den Zulassungsgrundsätzen vorgegebene Verhältnis der Prüfdehnungen von einaxialer Beanspruchung zu mehraxialer Beanspruchung sollte bestätigt oder korrigiert werden. Zunächst wurde das Verformungsverhalten der Fugendichtstoffe nach den Zulassungsgrundsätzen an vier Fugendichtstoffen untersucht. Eine neuartige Prüfvorrichtung, mit der die FDS in Parallel- und Kreuzfugen zyklisch gedehnt, gestaucht und geschert werden können, wurde gebaut. Mit dem Finite-Elemente-Programm ANSYS wurden die Zugversuche bei +20 Grad C für zwei Produkte nachgerechnet. Das hyperelastische Materialverhalten der Fugendichtstoffe wurde mit den Materialmodellen nach Mooney-Rivlin, Ogden und Yeoh erfasst. Für ein Material wurden begleitend Aufnahmen der Verformungen mit der 3D-Photogrammetrie durch das Institut für Fernerkundung und Photogrammetrie der TU Dresden gemacht.

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung 1
Abstract 2
Résumé 3
1 EINLEITUNG 4
2 DER STAND DER TECHNIK 5
2.1 Motivation der Forschung 5
2.2 Die derzeitigen Prüfmethoden 5
3 DIE UNTERSUCHTEN FUGENDICHTSTOFFE 7
3.1 Aufbau und Aufgaben eines Fugenabdichtungssystems 7
3.2 Polyurethan (PUR) 7
3.3 Polysulfid 8
3.4 Die Codierung der untersuchten Fugendichtstoffe 8
4 DIE PRÜFVORRICHTUNG 9
5 DIE HERSTELLUNG DER PROBEKÖRPER 11
6 DAS PRÜFPROGRAMM 12
6.1 Prüfbeanspruchungen 12
6.2 Abmessungen der Probekörper 15
6.3 Zyklische Dehn- und Stauchversuche 17
6.4 Zyklische Scherversuche 19
7 DIE AUSWERTUNG DER VERSUCHE 21
7.1 Die Dehn- und Stauchzyklen 21
7.2 Die Scherzyklen 22
8 DIE PRÜFERGEBNISSE 23
8.1 Hinweise zur Darstellung der Prüfergebnisse 23
8.2 Material A 23
8.2.1 Die Dehnzyklen 23
8.2.1.1 Die Parallelfuge 23
8.2.1.2 Die Kreuzfuge 25
8.2.2 Die Stauchzyklen 26
8.2.2.1 Die Parallelfuge 26
8.2.2.2 Die Kreuzfuge 27
8.2.3 Die Scherzyklen 29
8.2.3.1 Die Parallelfuge 29
8.2.3.2 Die Kreuzfuge 29
8.3 Material B 31
8.3.1 Die Dehnzyklen 31
8.3.1.1 Die Parallelfuge 31
8.3.1.2 Die Kreuzfuge 32
8.3.2 Die Stauchzyklen 33
8.3.2.1 Die Parallelfuge 33
8.3.2.2 Die Kreuzfuge 34
8.3.3 Die Scherzyklen 35
8.3.3.1 Die Parallelfuge 35
8.3.3.2 Die Kreuzfuge 36
8.4 Material C 37
8.4.1 Die Dehnzyklen 37
8.4.1.1 Die Parallelfuge 37
8.4.1.2 Die Kreuzfuge 38
8.4.2 Die Stauchzyklen 39
8.4.2.1 Die Parallelfuge 39
8.4.2.2 Die Kreuzfuge 40
8.4.3 Die Scherzyklen 42
8.4.3.1 Die Parallelfuge 42
8.4.3.2 Die Kreuzfuge 42
8.5 Material D 44
8.5.1 Besonderheit bei der Prüfung von Material D 44
8.5.2 Die Dehnzyklen 44
8.5.2.1 Die Parallelfuge 44
8.5.2.2 Die Kreuzfuge 45
8.5.3 Die Stauchzyklen 47
8.5.3.1 Die Parallelfuge 47
8.5.3.2 Die Kreuzfuge 48
8.5.4 Die Scherzyklen 49
8.5.4.1 Die Parallelfuge 49
8.5.4.2 Die Kreuzfuge 49
9 GEGENÜBERSTELLUNG DER MESSERGEBNISSE 51
9.1 Die Dehnzyklen 51
9.2 Die visuelle Begutachtung nach den Dehnzyklen 55
9.3 Die Stauchzyklen 57
9.4 Die visuelle Begutachtung nach den Stauchzyklen 61
9.5 Die Scherzyklen 62
9.6 Die visuelle Begutachtung nach den Scherzyklen 63
9.7 Auswirkungen der Fugengeometrie auf die Prüfergebnisse 63
10 ZUSAMMENFASSUNG DER VERSUCHSERGEBNISSE 64
11 MATERIALVERHALTEN 65
11.1 Besonderheiten im Materialverhalten 65
11.2 MULLINS Effekt 66
11.3 Materialgesetze zur Beschreibung des inkompressiblen Materialverhaltens 68
11.3.1 Phänomenologische und Statistische Materialgesetze Allgemeine Ansätze 68
11.3.2 Statistische Materialgesetze 69
11.3.2.1 Gauss-Statistik 69
11.3.2.2 Nichtgauss-Statistik 70
11.3.3 Phänomenologische Materialgesetze 72
11.3.3.1 Ansatz nach MOONEY-RIVLIN 72
11.3.3.2 Ansatz nach RIVLIN 74
11.3.3.3 Ansatz nach YEOH 75
11.3.3.4 Ansatz nach VALANIS und LANDEL 76
11.3.3.5 Ansatz nach OGDEN 77
11.4 Materialgesetze für die Beschreibung von nahezu inkompressiblem Material 78
11.5 Auswahl der Materialgesetze für die Simulationsrechnungen 79
12 FINITE-ELEMENTE-METHODE 80
12.1 Nichtlineare Strukturanalysen 80
12.2 Lösung nichtlinearer Probleme 80
12.3 Newton-Raphson-Iteration 81
12.3.1 Reguläre Newton-Raphson-Iteration 81
12.3.2 Modifizierte Newton-Raphson-Iteration 82
12.4 Konvergenzkriterien 83
12.5 Einbindung des Materialgesetzes in das FEM-Modell 83
12.6 Verwendete Strukturelemente 85
13 SIMULATIONSRECHNUNGEN 87
13.1 Durchgeführte Simulationsrechnungen 87
13.2 Strukturmechanisches Modell 87
13.3 Verwendete Materialkennwerte 88
13.3.1 Voraussetzungen für die Bestimmung der Materialkennwerte 88
13.3.2 Analytisch bestimmte Materialkennwerte 89
13.3.3 Numerisch bestimmte Materialkennwerte 91
13.4 Analytische und numerische Ermittlung der Spannungs-
Dehnungs-Kurve für den einaxialen Zugversuch 93
13.5 Simulation des Zugversuchs an der Parallelfuge 95
13.6 Simulation des Zugversuchs an der Kreuzfuge 98
14 DIE 3D-PHOTOGRAMMETRISCHEN UNTERSUCHUNGEN 100
14.1 Ziel der Untersuchungen 100
14.2 Der Versuchsaufbau 100
14.3 Die Auswertung der 3D-photogrammetrischen Aufnahmen 101
14.3.1 Der Bearbeitungsstand 101
14.3.2 Die Vorgehensweise bei der Auswertung 101
14.4 Die Verschiebungen der Mörtelplatten 102
14.5 Der Vergleich der photogrammetrischen Daten mit den Ergebnissen aus den Simulationsrechnungen 103
14.5.1 Die Vorbereitung der Ergebnisse aus den Simulationsrechnungen 103
14.5.2 Der Vergleich der Ergebnisse für die Verformungen in der x-y-Ebene 105
14.5.3 Der Vergleich der Ergebnisse für die Verformungen in z-Richtung 107
15 AUSWERTUNG DER SIMULATIONSERGEBNISSE 110
15.1 Festigkeitshypothesen 110
15.2 Ermittlung der lokalen Beanspruchungen 111
15.3 Vergleich der im Material B entstehenden Beanspruchungen 112
15.3.1 Material B: Beanspruchung im 1. Zyklus 112
...
...

Publikationslisten zum Thema:
Fugenabdichtung, Fugendichtstoff, Dichtungsmasse, Festigkeitsverhalten, Verformungsverhalten, Prüfung, Prüfvorrichtung, Versuch, Scherversuch, Zugversuch, Photogrammetrie, Stauchung, Dehnung, Berechnung, Simulation, Finite-Elemente-Methode, Abdichtungsstoff, PUR, Polyurethan, Polysulfid,

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Im Zusammenhang mit der Umsetzung der Anforderungen des Umwelt- und Gesundheitsschutzes an Bauprodukte stellt sich die Frage, ob eine Zulassungspflicht für Fugendichtstoffe bei der Verwendung in Aufenthaltsräumen installiert werden sollte. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden ausgewählte Fugendichtmassen auf ihr Emissionsverhalten hin mittels Thermoextraktion und Prüfkammer untersucht. Die Auswahl der Fugendichtmassen erfolgte unter Bezugnahme auf die in den Entwurfsfassungen der DIN EN 15651-1 und DIN EN 15651-2 genannten Systeme, um möglichst alle innenraum-relevanten Produktgruppen zu erfassen. Berücksichtigt wurden folgende Systeme: Polyurethandichtstoffe, Silikondichtstoffe, silanmodifizierte Polymere und Acrylatdichtstoffe. Für die Auswahl der Produkte wurden die Ergebnisse der "Literaturstudie zu VOC-Emissionen aus Fugendichtmassen nach E DIN 15651-1 und E DIN 15651 -2" zugrunde gelegt (Hofmann 2011). Von 20 für die Thermoextraktion ausgewählten Produkten wurden 9 Produkte mittels Prüfkammer untersucht. Die Prüfkammeruntersuchungen erfolgten gemäß DIN EN ISO 16000-9. Für die Durchführung und Auswertung wurden die DIBt-Grundsätze zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten in Innenräumen (Stand Oktober 2010) und die AgBB-Anforderungen (Stand Mai 2010) zugrunde gelegt. Die Untersuchungen der Fugendichtmassen ergaben sehr heterogene Ergebnisse. Mittels Thermoextraktion wurden innerhalb der verschiedenen Systeme unterschiedlich emissionsstarke Produkte identifiziert. Neben Emissionen gesundheitlich relevanter Einzelstoffe wie Benzaldehyd und 2-Butanonoxim traten in hohen Maße Emissionen von Substanzen auf, die außerhalb des substanzspezifisch identifizierten und quantifizierten Stoffumfangs lagen. Hierbei handelte es sich um Isoalkane, Olefine, Alkohole und Siloxane. Die untersuchten Produkte erreichten mittels Thermoextraktion Gesamtemissionen (TVOC-Werte) zwischen 28 mg/kg und 4.090 mg/kg. Die niedrigste Gesamtemission erzielte eine Fugendichtmasse auf der Basis eines MS-Polymers. Die höchste Gesamtemissio

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Das Projekt widmet sich der Frage, ob Fugendichtstoffe gesundheitlich relevante Emissionsquellen bei der Verwendung in Aufenthaltsräumen darstellen und daher eine Emissionsprüfung im Rahmen der Zulassung für bestimmte Fugendichtmassen installiert werden sollte. Da bisher nur wenige Untersuchungen über das Emissionspotential von Fugendichtmassen vorliegen, zielt die Literaturstudie darauf ab, den Stand bisheriger Untersuchungen zu erfassen und auszuwerten. Dabei sollte auch geprüft werden, ob eine Einteilung von Fugendichtmassen unterschiedlicher chemischer Basis bzw. Vernetzung in Bezug auf ihr Emissionspotenzial erfolgen kann und es sollten Empfehlungen zu weitergehenden Kammerprüfungen bestimmter Produkte gegeben werden. Für die Bearbeitung der Fragestellung wurden Veröffentlichungen und Produktangaben ausgewertet sowie Hersteller, Anwender und Prüflabore befragt. Für die Beurteilung des Emissionsverhaltens wurden Ergebnisse aus Material- und Raumluftuntersuchungen berücksichtigt. Die Studie betrachtet die folgenden in der Entwurfsfassung der Norm DIN EN 15651 Teil 1 und 2 für den Innenbereich genannten und aufgrund des Polymers differenzierten Dichtstoffe: Polyurethandichtstoffe, Silikondichtstoffe, Dichtstoffe auf der Basis silanmodifizierter Polymere (SMP) und Acrylatdichtstoffe. Die Studie geht zunächst der Frage nach, welche Produkte für welche Anwendungsbereiche angeboten werden. Es kommen sehr unterschiedliche Dichtstoffarten, die nach verschiedenen Kriterien eingeteilt werden können, zum Einsatz. Fugendichtstoffe werden überwiegend leistungsbezogen differenziert. Die größte Verbreitung und Variabilität erreichen Silikondichtstoffe, die je nach Art der Vernetzungsreaktion weiter differenziert werden. Fugendichtstoffe sind chemisch und technisch vielfältige und anspruchsvolle Produkte. Sie bestehen überwiegend aus organischen Komponenten. Es werden freiwillige Bewertungsinstrumente für Fugendichtmassen, wie z.B. der Blaue Engel (RAL UZ 113 Emissionsarme Dichtstoffe für den Innenraum) und die EMICODE-Eins

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In diesem Forschungsvorhaben wurden Vorschläge für Bewertungskonzepte zur Beurteilung der Umweltverträglichkeit von Abdichtungs- und lnjektionsstoffen entwickelt. Grundlage der Bewertung sind zwei verschiedene Auslaugversuche: ein mehrstufiger Trogversuch für Abdichtungsstoffe und ein inverser Säulenversuch für lnjektionsstoffe. Die im Versuch ermittelten Konzentrationen stimmen jedoch nicht mit den Werten überein, die sich beim Einbau im Grundwasser einstellen. Daher ist es erforderlich, aus den Versuchsdaten Freisetzungsverläufe zu bestimmen und die Konzentration im Grundwasser, das mit dem Baustoff in Kontakt steht, numerisch zu simulieren. Abdichtungs- und lnjektionsstoffe haben in der Praxis für unterschiedliche Einsatzgebiete. Dies sollte sich in den Bewertungskonzepten widerspiegeln. Daher wurden unterschiedliche Modellszenarien für die numerischen Simulationen entwickelt. Die Beschaffenheit des Bodens und das Grundwassergefälle wurden konstant gehalten (k klein f = 10 hoch minus 4 m/s, n klein e = 0,1 und i = 10 hoch minus 3). Als Dispersionslänge (longitudinal) wurden i. d. R. 3 m gewählt, nur beim Bitumen-Modell wurde aufgrund der kleineren Abmessungen 1 m angesetzt. Abbauprozesse und Retardierung wurden vernachlässigt. Die aus Auslaugversuchen ermittelten Schadstoffeinträge wurden an der Oberfläche der Baustoffe in das jeweilige Modellgebiet eingetragen. Die berechneten Grundwasserkonzentrationen wurden jeweils an der Stelle der höchsten Konzentrationen räumlich über eine Schichtdicke von 2 m bzw. in einem Bereich von 2 x 2 m2 Größe gemittelt. Anschließend erfolgte eine Mittelung über einen Zeitraum von 6 Monaten. Die so berechneten mittleren Kontaktgrundwasserkonzentrationen müssen die Geringfügigkeitsschwellen oder ggf. äquivalent abgeleitete Schwellenwerte einhalten. Mit dieser Vorgabe wurden Grenzwerte (zulässige Freisetzungen) für die Auslaugversuche abgeleitet.

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Zeitschriftenartikel

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