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Zum zeit- und temperaturabhängigen Werkstoffverhalten von Ethylen/Tetrafluorethylen-Folien im Hochbau

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[Quelle: http://d-nb.info]

Der Wunsch nach einer transparenten Gebäudehülle war bis in die 1980er Jahre nur mit dem starren und schweren Werkstoff Glas dauerhaft realisierbar. Seither bieten die duktilen und sehr leichten Folien des Fluorpolymers Ethlyen/Tetrafluorethylen (kurz: ETFE) eine ressourcenschonende und langlebige Alternative zum arrivierten Glas. ETFE-Folien werden in durch Vorspannung stabilisierten Konstruktionen im Membranbau eingesetzt und erweitern durch ihre synklastische bzw. antiklastische Form den bisher bekannten Formenkanon. Die für membrane Konstruktionen dauerhaft erforderliche Vorspannung bedingt in den Ethlyen/Tetrafluorethylen-Folien eine Dauerbeanspruchung. Deren Einfluss auf den polymeren Werkstoff ETFE wird jedoch noch immer negiert. In der Arbeit wird diese Problemstellung aufgegriffen. Auf Basis experimenteller Untersuchungen wird eine praxisnahe, ingenieurmäßig greifbare Modellierung des Werkstoffverhaltens der ETFE-Folien in Abhängigkeit von der Zeit, der Temperatur und der Höhe der einwirkenden Beanspruchung entwickelt. Zeitinvariante isotherme Kurzzeitzugversuche untersuchen den Einfluss der Temperatur auf das zeitinvariante Werkstoffverhalten der ETFE-Folien. Die Dehnungen unter lang andauernder Beanspruchung werden in zeitvarianten isothermen Dauerlastzugversuchen bei unterschiedlichen Temperaturen und auf unterschiedlichen Niveaus der einwirkenden Beanspruchung beobachtet. Isotherm durchgeführte zeitvariante Lastwiederholungsversuche zeigen den Einfluss wiederholter Be- und Entlastungsphasen auf die ETFE-Folien. Mehrjährige Dauerlastversuche unter anisothermem natürlichem Klima schließen das Versuchsprogramm ab. Die Werkstoffmodellierung zielt auf die Beschreibung dieses mehrparametrigen, die Einflüsse der Zeit, der Temperatur sowie des Beanspruchungsniveaus berücksichtigenden mechanischen Verhaltens der ETFE-Folien. Um gleichzeitig eine baupraktische Anwendbarkeit und mechanische Interpretation der Modellierung zu ermöglichen, basiert die im Rahmen der Arbeit entwickelte Werkstoffmodellierung auf einem zeitinvarianten, phänomenologischen sowie einen zeitvarianten, rheologischen Ansatz. Die Parameter des entwickelten Modells werden, modular aufeinander aufbauend, anhand der Ergebnisse der isothermen Kurzzeitzugversuche sowie der isothermen Dauerlastversuche identifiziert. Das zeitinvariante Spannungs-Dehnungs-Verhalten wird ausgezeichnet beschrieben. Im Vergleich der durch die Werkstoffmodellierung prognostizierten mit den in den isothermen zeitvarianten Versuchen gemessenen Dehnungen ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung. Im Anschluss daran wird das Werkstoffmodell hinsichtlich der Anwendbarkeit auf die Beschreibung lang andauernder, aber wechselnder Be- und Entlastungsphasen geprüft. Ersichtlich wird, dass unter Verwendung eines modifizierten Superpositionsprinzips auch hier eine qualitativ sehr gute und quantitativ noch immer ausreichende Abbildung möglich ist. Der Verlauf der Dehnungen der anisotherm unter natürlichem Klima durchgeführten Dauerlastversuche lässt sich nur noch qualitativ für lange Versuchsdauern beschreiben. Die Arbeit schließt mit der Ableitung einer äquivalenten Temperatur, die dem Tragwerksplaner einen guten Ansatzpunkt für die Berücksichtigung des zeit- und temperaturabhängigen Werkstoffverhaltens der Ethlyen/Tetrafluorethylen-Folien in der Bemessungsaufgabe ermöglicht.

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Nach den Pionierbauten der 1970er Jahre hat in jüngster Zeit eine Reihe von aufsehenerregenden Bauwerken erneut den Fokus auf das technische und ästhetische Potential von Kunststoffen gelenkt. Bislang fehlte allerdings eine umfassende Darstellung zur Verwendung von Kunststoff in der Architektur. Der Band bietet eine Einführung in die konstruktiven und gestalterischen Möglichkeiten des Werkstoffs. Es werden nicht nur Kunststoffe und ihre Eigenschaften, sondern auch Herstellung, Verarbeitung und Konstruktionsprinzipien beschrieben und für die Architektur relevante Kunststoffprodukte und -halbzeuge vorgestellt. Eine Auswahl von ca. 25 internationalen gebauten Projekten, geordnet nach Kunststoffarten und Einsatzgebiet, dokumentiert die Anwendungen von Kunststoff in der Architektur. Ein Ausblick erläutert Tendenzen in der Forschung.

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Rolf P. Gieler, Andrea Dimmig-Osburg
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Neben traditionellen und bewährten Baustoffen wie Holz, Stahl, Beton und Mörtel sind Kunststoffe eine sehr junge, aber extrem vielschichtige Baustoffgruppe mit vielfältigen, positiven und oft außergewöhnlichen Eigenschaften. Leider werden sie vielfach mit großer Skepsis betrachtet, die eigentlich nur der Unsicherheit im Umgang mit Kunststoffen geschuldet ist. Dieses Buch soll dazu beitragen, diese Zurückhaltung zu überwinden. Der Bogen spannt sich von den verschiedenen Arten der Polymere und ihren Bildungsreaktionen, Strukturen und grundsätzlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften, bis hin zu detaillierten Betrachtungen der Anwendung der Kunststoffe für Werkstoffe im Bautenschutz sowie in der Betoninstandsetzung. Ausführlich wird auf die baupraktischen Belange eingegangen, wie Planung, geeignete Auswahl der Kunststoff-Werkstoffe unter den Kriterien ihrer Anwendung, sowie Details der Ausführung. Ein weiterer wichtiger Aspekt, der immer wieder betrachtet wird, ist das Vermeiden von Bauschäden. Das Buch richtet sich an Studierende und alle, die auf dem Gebiet des Bauwesens tätig sind.

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Bei der Bewertung von Baustoffen müssen heute eine Vielzahl neuer Kriterien Beachtung finden. Neben den weiterhin relevanten technischen und ökonomischen Faktoren Festigkeit, Haltbarkeit, Verarbeitbarkeit und Preis-Leistungsverhältnis werden in zunehmendem Maße umweltrelevante Kriterien wie Ozongefährdung, Ressourcenverbrauch sowie eventuelle gesundheitliche Risiken bei Herstellung, Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung der Materialien in Betracht gezogen. Die Berücksichtigung dieser zusätzlichen Bewertungskriterien soll dazu führen, daß neben einer vor allem ökonomischen Beurteilung von Bauteilen und Baustoffen eine, durch Ökobilanzen gestützte, ökologische Bewertung möglich ist. Die Mehrzahl der Bauprodukte in dieser Studie kam vor über 20 Jahren zum Einsatz, zu einer Zeit also, in der hauptsächlich die technischen Eigenschaften und der Kaufpreis zur Bewertung und Auswahl der Materialien herangezogen wurden. Primär ist die Studie darauf ausgerichtet, das Langzeitverhalten einer kritischen Prüfung zu unterziehen. Die Menge der hier betrachteten und zur Bewertung herangezogenen Anwendungen ist jedoch nicht groß genug, um eine statistisch fundierte Aussage über das Langzeitverhalten aller gleichartigen Bauanwendungen zu treffen. Vielmehr ist diese Arbeit eine "Momentaufnahme" verfügbarer, wissenschaftlich fundierter Informationen.

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Forschungsberichte

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C. Könke, J. P. Bergmann, M. Ganß, J. Hildebrand, M. Kuhne, S. Hammer, Y. Ali
Zustandsmonitoring von mit Kohlefaserlamellen verstärkten Stahlverbindungen unter Einsatz integrierter Fasersensorik. Intelligentes CFK-Pflaster. Abschlussbericht
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Ein neuer Ansatz zur Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen ist die klebetechnische Applikation von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). In die Klebverbindung integrierte sehr dünne faseroptische Sensoren können hier helfen neue Detailkenntnisse zu den Verbundeigenschaften insbesondere zu dem Klebfugenverhalten unter komplexen Umgebungsbedingungen und Belastungen zu erlangen. Die Untersuchungen an den Stahl-CFK-Klebverbindungen und CFK-verstärkten Bauteilen mit in der Klebfuge integrierten faseroptischen Sensoren verdeutlichen, dass während der mechanischen und thermisch-hygrischen Belastung der Stahl-CFK-Klebverbindungen sehr genau und ortsauflösend lokale Dehnungen sowie inhomogene Dehnungszustände in Sensorfaserrichtung in der Klebfuge ermittelt werden können. Mit der Fasersensorik können somit tatsächliche Dehnungszustände und eine Schädigung des Verbundes in Form einer Delamination ortsaufgelöst und in Echtzeit detektiert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens liefern somit einen neuen Ansatz für die Optimierung von strukturellen Klebverbindungen auf Basis einer Detailanalyse der Klebfugen.

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Matthias Pahn, Arnaud Pavis d'Escurac
Tragverhalten von schlanken Sandwichelementen mit GFK-Verbindungsmitteln unter Vertikallast
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3009
2017, 99 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Bemessung von Sandwichelementen unter vertikaler Last kann der stabilisierende Einfluss der Vorsatzschale einschließlich der Verbindungsmittel und der Kernschicht auf das Tragverhalten der Tragschale nicht berücksichtigt werden, weil entsprechende Bemessungsmodelle nicht vorliegen. Eine Berücksichtigung der tatsächlichen Biegesteifigkeit ist aber gerade bei schlanken und damit knickgefährdeten Sandwichwänden äußerst sinnvoll. Deshalb untersuchte das Projekt den Einfluss von Vorsatzschale und Kernschicht auf die Stabilität von Sandwichwänden. Als Verbindungsmittel zwischen der Vorsatzschale und der Tragschale wurden sowohl horizontale und diagonale Stäbe aus glasfaserverstärktem Kunststoff als auch Gitterträger aus Stahl verwendet. Es wurden aussichtsreiche Ansätze für eine wirtschaftlichere Bemessung von schlanken Sandwichfassadenbauteilen erarbeitet.

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Ingo Kurzhöfer
Stationäre und instationäre finite Element Analysen zur Erfassung des solaren Temperatureinflusses auf schalenförmige, zylindrische Thermoplastbehälter. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3337
2016, 66 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zum Nachweis der Standsicherheit von schalenförmigen, zylindrischen Thermoplastbehältern ist es notwendig, bei Außenaufstellung die Temperatureinwirkung durch Sonneneinstrahlung in geeigneter Form mit zu berücksichtigen. Die Begründung liegt in der ausgeprägt starken Temperaturabhängigkeit der thermomechanischen Eigenschaften der verwendeten thermoplastischen Werkstoffe sowie in Zwangseinwirkungen aus behinderten Temperaturdehnungen.

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Ulrich Book, Frank Huppertz, Jürgen Neisecke
Entwicklung von verlässlichen Prüf- und Bewertungskriterien für das Verschleißverhalten und die Dauerhaftigkeit rissüberbrückender OS-Beschichtungen für befahrbare Betonflächen
Bauforschung, Band T 3208
2015, 102 S., zahlr. Abb., Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Beim Neubau und bei der Instandsetzung frei bewitterter Parkdecks werden als Betonschutz häufig rissüberbrückende Beschichtungssysteme verwendet. Für diesen Anwendungsfall kommen vor allem flexible Polyurethanharz- oder Polyurethan-Epoxidharzkombinationen zum Einsatz. Diese Werkstoffe besitzen niedrige E-Moduln und hohe Reißdehnungen und sind somit sehr flexibel und weich eingestellt. Trotzdem findet man bei solchen Beschichtungssystemen in der Praxis häufig - vor allem in mechanisch hoch belasteten Bereichen, wie z. B. Kurven, Auffahrten, Rampen und Spindeln - immer wieder typische Verschleißschäden in Form von Rissen und Schichtdickenabbau bis hin zum völligen Versagen des gesamten Oberflächenschutzsystems. Das Verschleißverhalten dieser befahrenen, rissüberbrückenden OS-Systeme hängt von einer Vielzahl unterschiedlicher Beanspruchungs- und Werkstoffparameter ab. Bisherige Prüfverfahren, die die Befahrbarkeit eines Bodens simulieren, beruhen hingegen noch stark auf Empirie sowie auf den jeweiligen Erfahrungen von Herstellern und Anwendern derartiger Systeme. Es ist daher davon auszugehen, dass zurzeit keine allgemein gesicherte Prüfmethode verfügbar ist, welche weder die Dauerhaftigkeit in Bezug auf die Beanspruchung aus dem Fahrverkehr zuverlässig nachweisen kann noch irgendwelche praxisrelevanten Aussagen zum Verschleißverhalten während der Verkehrsbelastung ermöglicht. In dem vom DAfStb geförderten Forschungsvorhaben sollte daher nach einer detaillierten Vorstudie grundsätzlich geklärt werden, wie und unter Nutzung von welchem der bisherigen Prüfverfahren sowohl die Größe des Verschleißes als auch - als ganz wesentliche Erkenntnis - dessen zeitlicher Verlauf an OS-Systemen zerstörungsfrei ermittelt und dokumentiert werden können.

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Ralf Bäumer, Walter Haase, Fritz Mielert, Luis Ocanto, Fabian Schmid
Entwicklung leichter Profile und Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen für Anwendungen in der textilen Gebäudehülle und der Fenstertechnik. (PROFAKU). Abschlussbericht
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2012, 139 S., zahlr. Abb. u. 6 Tab., Softcover
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Faserverbundkunststoffe (FVK) bieten bisher wenig berücksichtigte Vorteile bei der Herstellung und Einsatz im Bereich des Bauwesens wie z.B. Korrosionsbeständigkeit, Langlebigkeit und ein geringer Energieaufwand bei der Herstellung. Mit der Entwicklung und dem Bau von Profilen sollte die Einsatzmöglichkeit von Verbundwerkstoffen in Tragstrukturen für modulare mehrlagige textile Gebäudehüllen und für die Fenstertechnik demonstriert werden. Mit der Entwicklung von Profilen und Bauteilen aus FVK wird es in Zukunft möglich sein, Tragstrukturen für modulare mehrlagige textile Gebäudehüllen und für die Fenstertechnik herzustellen. Diese Materialien zeichnen sich durch eine wesentliche Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichen Werkstoffen aus. Leichte FVK-Strukturen können vorab zu Baugruppen zusammengefügt werden und lassen sich somit in einen strukturierten und effizienten Arbeitsablauf integrieren. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die Möglichkeit durch FVK-Profile wärmebrückenarme Konstruktionen herstellen zu können. Die Forschungsergebnisse tragen wesentlich dazu bei, zukünftig Möglichkeiten aufzuzeigen, die Entwicklung der Profile näher an eine Marktreife zu führen und die Praktikabilität, sowie Funktionalität zu verifizieren. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung von Profilen aus leichten, faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und von Baumethoden für die Anwendung dieser Materialien in der Architektur. Dazu wurden Profile für den Bereich der mehrlagigen textilen Gebäudehülle entwickelt, die mechanischen Eigenschaften in Simulationsverfahren berechnet und mit einem Pultrusionsverfahren gefertigt. Schlussendlich wurden daraus Demonstratoren für die textile Gebäudehülle aufgebaut und der Öffentlichkeit vorgestellt. In einem weiteren Arbeitsschwerpunkt wurden neuartige Profile für sehr schlanke aber dennoch mechanisch steife Fensterrahmen entwickelt und als Mock-ups gefertigt.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Schwabl, Daniel; Bauer, Markus; Köhldorfer, Patrick; Lehner, Markus
Weiterentwicklung einer nass-mechanischen Aufbereitungsanlage zur Gewinnung von hochreinen Polyolefinkonzentraten für ein chemisches und mechanisches Recycling
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft, 2022

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Lörzel, Maria
Oft übergangen. Die Erhaltung von elastischen Kunststoffböden aus Weich-PVC
Denkmalpflege im Rheinland, 2022

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Eiglsperger, Anna; Auer, Veronika; Hesler, Friedrich von; Kraus, Wolfgang; Stute, Stephanie
Biopolymere - im Kreislauf gedacht
Müll und Abfall, 2022

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Schepers, Wolfgang
Kunststoffe in Form - Anmerkungen zur Designgeschichte als Werkstoffgeschichte
ZKK Zeitschrift für Kunsttechnologie und Konservierung, 2021

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Fasoulakis, Zacharias; Pasternak, Hartmut; Vayas, Ioannis; Li, Zheng
Stützen-Riegel-Knoten ohne und mit geklebter CFK-Verstärkung - Versuche und numerische Simulationen
Bauingenieur, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022