Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN
Nr. 2548/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpriisidenten Heinz Kuhn
vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -Ing. O. Jungbluth
Institut fur Statik und Stahlbau
Technische Hochschule Darmstadt
Dr. -Ing. Bert Hofmann
Institut fur konstruktiven Ingenieurbau
Ruhr-UniversiHit Bochum
Untersuchungen zum Zwecke der Einfiihrung
einer praxisnahen Sandwichtechnik in das
Bauwesen
Westdeutscher Verlag 1976
© 1976 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02548-3 e-ISBN-13: 978-3-322-88304-9
DOl: 10.1007/978-3-322-88304-9
Vorwort
Seit Anfang der 60er Jahre werden im Sinne baustatischer Beanspruchung
nichttragende Sandwichbauteile des Werkstoffsystems Stahlfeinblech/Poly
urethanhartschaum besonders fur Hallenwiinde im Industriebau eingesetzt,
wobei auch erstmalig die groi3technische kontinuierliche Herstellung ge
lang.
1m Vortrag N 208 der Rheinisch-Westfiilischen Akademie der Wissenschaf
ten: O. Jungbluth "Sandwichfliichentragwerke im konstruktiven Ingenieur
bau" (1970) wurde ein Konzept dargestellt, die Sandwichtechnik dieses Ver
bundsystems auch fur "tragende Beanspruchung" weiterzuentwickeln. Das
Wissenschaftsministerium des Landes Nordrhein-Westfalen griff die Vor
schliige auf und forderte dankenswerter Weise das hier vorgelegte For
schungsprojekt, das an der Ruhr-Universitiit Bochum und an der Techni
schen Hochschule Darmstadt durchgefuhrt wurde.
Ziel dieser Forschungsarbeit und des am Institut Stahlbau der TH Darm
stadt weitergefUhrten F orschungsfeldes "VerbundfHichentragwerke" ist die
Forderung der Entwicklung weitgespannter Dachtragwerke als Trapezpro
filplatten und Faltwerke mit Integration bauphysikalischer Eigenschaften
wie Wiirmediimmung, Schall- und Brandschutz. Hierbei werden Werkstoff
verbundsysteme auf anorganischer und organischer Basis, ihr Kurz- und
Langzeitverhalten sowie das Trag- und Versagensverhalten der Bauteile
und auch Konzepte fUr automatisierte moglichst kontinuierliche Herstell
method en untersucht.
Es ist damit zu rechnen, dai3 die Bauteileindustrie, die bereits nichttragen
de Sandwichbauteile herstellt, im Laufe des J ahres 1976 nach erfolgter
bauaufsichtlicher Zulassung die erst en tragenden Sandwichdachbauteile des
Werkstoffsystems Stahlfeinblech/Polyurethanhartschaum in den Markt ein
fiihren wird.
- IV -
Diese in Anbetracht der technologisch schwierigen Materie schnelle Innova
tion wurde nicht zuletzt auch dank der Forschungsforderung des Wissen
schaftsministeriums des Landes Nordrhein-Westfalen ermoglicht, dem
fur die Unterstutzung hiermit nochmals gedankt seL
Darmstadt, 21. 11. 1975
Otto Jungbluth
I n hal t
1. Entwicklungstendenzen im Bau von Stahlblechflachen-
tragwerken
1.1 Gebrauchliche Bauformen weitgespannter Dacher 1
1.2 Blech in weitgespannten Flachendachtragwerken 2
1.3 Versteifungsmoglichkeiten von groBflachigen
Blechbauteilen 3
1.4 Sandwichbauweise und deren spezifische Probleme 4
2. Aufgabenstellung und Losunqsweq 5
3. Werkstoffe und Verbund 6
3.1 Stahlfeinblech 6
3.2 Kernwerkstoffe 7
3.2.1 Anforderungen
3.2.2 Mogliche Kernwerkstoffe
3.2.3 Chemischer Aufbau und Herstellung von PUR
3.2.4 Mechanische Eigenschaften von PUR-Hartschaum
3.2.5 Zurr Kriechen von PUR-Hartschaum
3.2.6 Schubkriechversuche
3.2.6.1 Versuchsaufbau
3.2.6.2 Versuchsergebnisse
3.2.6.3 Versuchsauswertung
3.2.6.4 Zusarnrnenfassung
4. Grundsatzliche VorUberlequnqen zur Formfindunq 22
4.1 Diskussion moglicher Querschnittsformen 22
4.2 Tragverhalten von Faltwerken in Stahl/PUR-Sand
wichbauweise 24
4.3 Versagensverhalten von Faltwerken in Stahl-PUR
Sandwichbauweise 25
4.4 Konstruktive Ausbildung von Stahl/PUR-Sandwich
faltwerken 27
4.4.1 Abstufungsmoglichkeiten eines Faltwerkpro-
grarnrnes
4.4.2 Anordnung der Langsfugen
4.4.3 Ausbildung der Langsfugen
4.4. 4 .Lorrosionssc~u.~_z, Gefalle, ~armedaI!'Jnung:_
4.5 Zusarnrnenfassung und restriktive Parameter im
FormfindungsprozeB 34
5. Theoretische Grundlagen 35
5.1 Elastischer Verbund des Mehrschichtstabes 35
5.1.1 Herleitung des DGl-Systems fUr den geraden,
allgemeinen Mehrschichtstab
5.1.2 Herleitung der DGI fUr den speziellen Drei
schichtstab
- VI -
5.1.3 Losung der DGI fur den Sandwichstab
5.1.3.1 DGI fur einige ausgewahlte Belastungsf§.lle
5.1.3.2 Rand- und Ubergangsbedingungen
5.1.3.3 Losungen der DGI fur einige spezielle
Belastungsfalle
5.1.3.4 Ermittlung der TeilschnittgroBen
5.2 Knittern der Deckschichten 52
5.2.1 Einordnung
5.2.2 Voraussetzungen
5.2.3 DGI der Knitterspannung
5.2.4 Ermittlung des Bettungswertes k
5.2.4.1 Definition
5.2.4.2 Herleitung des DGl-Systems
5.2.4.3 Losungen fur einige baupraktisch wichtige
Randbeding-ungen
5.2.4.4 Ermittlung der az-Spannungen und Bettungs-
zahl k
5.2.5 Ermittlung der ideellen Knitterspannung
5.2.6 Ermittlung von zulassigen Spannungen
5.2.7 Darstellung der Ergebnisse
6. Querschnittsoptimierunq 73
6.1 Zielfunktion der Optimierung 73
6.2 Parameter der Optimierung 74
6.3 Programm zur Optimierung 75
6.3.1 Optimierungsverfahren
6.3.2 Statische Berechnung
6.3.3 Suchprogramm
6.4 Ergebnisse der Optimierung 80
6.4.1 "Kostengebirge" fur c und f = const.
6.4.2 Minimalkostenkurven
6.4.3 Die optimale Querschnittsgeometrie
7. Traglastversuche an querschnittsoptinierten Stahl/PUR-
Sandwichfaltwerken 87
7.1 Ziel der GroBversuche 87
7.2 ModellmaBstab der Versuche 89
7.3 Beschreibung der Prufkorper (Geometrie, Werkstoffe,
Herstellung) 90
7.4 Versuchsaufbau 92
7.4.1 Querschnitt, Formhaltung und Auflagerung
7.4.2 QuerstoBe
7.4.3 Lastverteilung
7.5 Versuchs- und MeBprogramm 97
7.5.1 Belastungen
7.5.1.1 Kurzzeitbelastungen
7.5.1.2 Langzeitbelastungen
- VII -
7.5.2 MeBwertgeber
7.5.3 MeBstellenanordnung und Versuchsprogramm
7.5.3.1 Vorversuche A
7.5.3.2 Versuch N1
7.5.3.3 Versuche N2 bis N5
7.5.3.4 Versuch N6
7.5.3.5 Versuche N7 bis N9
7.6 Versuchsergebnisse der Werkstoffprlifungen 111
7.6.1 We~kstoffprlifungen an den Stahldeckschichten
7.6.2 Werkstoffprlifungen an den PUR-Hartschaum-
Kernschichten-
7.6.2.1 Dichte
7.6.2.2 Mechanische Eigenschaften
7.6.2.3 Auswirkungen der Werkstoffprlifungen auf
die Versuchsauswertung
7.6.3 Prlifung des Haftverbundes
7.7 Versuchsergebnisse der GroBversuche 119
7.7.1 Aufbereitung und Darstellung der MeBergebnisse
7.7.1.1 Der erste Auswerteschritt
7.7.1.2 Der zweite Auswerteschritt
7.7.1.3 Der dritte Auswerteschritt
7.7.1.4 Der vierte Auswerteschritt
7.7.1.5 Der flinfte Auswerteschritt
7.7.2 Bewertung und Diskussion der Versuchsergebnisse
7.7.2.1 Trag- und Verformungsverhalten bei Kurz
zeitbelastung
7.7.2.2 Trag- und Verformungsverhalten bei Lang
zeitbelastung
7.7.2.3 Versagensverhalten und Traglasten
7.7.2.4 Bemessungsvorschlage
8. s rofilierten Stahl-
161
8.1 Ziel der Detailversuche 161
8.2 Sickenprlifkorper 162
8.3 Versuchsaufbau der Sickenversuche 164
8.4 ImperfektionsmeBgerat 167
8.5 Ergebnisse der Sickenversuche 168
8.5.1 Imperfektionsmessungen
8.5.2 Werkstoffprlifungen
8.5.3 Versagensverhalten - Traglasten
8.6 Auswertung der Ergebnisse der Sickenversuche 177
8.6.1 Allgemeine Ergebnisse
8.6.2 Ergebnisse der Sickenversuche B360-0-•••
8.6.3 Ergebnisse der Sickenversuche B61-6-..• und
B34-6-•.•
9. Zusammenfassung und Ausblick 183
- VIII -
Literatur 189
Bilderanhang 193
Fetes bis 3 Schubkriechversuche
Fetes 4 bis 6 Versuchsaufbau der GreBversuche
Fetes 7 bis 9 Knitterwellen der Versuche A
Fetes 10 bis 12 Kni ttenlellen der Versuche N1 bis N5
Fetes 13 bis 15 Knitterwellen der Versuche N6 bis N9
Fetes 16 bis 18 Versuchsaufbau der Sickenversuche
Fetes 19 bis 21 Knitterwellen bei ebenen Deckschichten
Fetes 22 bis 23 Versagensfermen bei breiten Sicken
Fetes 24 bis 27 Versagensfermen bei schmalen Sicken
Tafelanhang 203
Tafel A: Durchsenkungen und TeilschnittgroBen des Drei
schichtstabes bei elastischem Verbunrl
Tafel B: Verfermungszustand, Randebenen-Gpannungen und
Bettungswerte beim Knittern ven ebenen Deck
schichten
Tafel C: FluBdiagramm des Optimierungspregrarrmes
- IX -
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 1: Festigkeiten und Moduli von Polyurethan-
Hartschaumen 12
Abb. 2: Versuchsaufbau der Schubkriechversuche 14
Abb. 3: Gesamtdurchsenkungen in Feldmitte bei den
Schubkriechversuchen 18
Abb. 4: Moglichkeiten der Abstufungen eines Palt
werkprogrammes und der Anordnung Qer
Langsfugen 29
Abb. 5: Vergleich der Aufrichthohen der Deck-
schichten und Steighohen des PUR-Schaurnes 30
Abb. 6: Vorschlage zur Langsfugenausbildung 32
Abb. 7: Zusammenstellung der restriktiven Parameter 35
Abb. 8: Gesamt- und TeilschnittgroBen am Mehr-
schichtstab 36
Abb. 9: Gleichgewicht eines Schichtelernentes 37
Abb. 10: Verformungen eines Schichtelementes 38
~..bb. 11: Verforrnungen eines Stabquerschnittes 39
Abb. 12: Querschnitts- und TeilschnittgroBen des
speziellen Dreischichtstabes 41
Abb. 13: Spezifische Anderung der TeilschnittgroBen
bei elastischem Verbund und Gleichstrecken
last 50
Abb. 14: Spezifische Anderung der TeilschnittgroBen
bei elastischem Verbund und Einzellast in
Feldmitte 50
Abb. 15: Hochhausscheibe als Dreischichtstab 51
Abb. 16: Beulkurven fUr Sandwich-Plattenstreifen
mit dUnnen Deckschichten 53
Abb. 17: Elastische Bettung der Deckschicht 56
Abb. 18: Deforrnationsfigur der ausgebeulten Deck
schicht 56
Abb. 19: Normal- und Schubspannungsverlaufe in der
Kernschicht beim Knittern oer Deck
schichten 61
Abb. 20: Diagrarnm zur graphischen Ermittlung der
Knitterspannung und der zugehorigen Knit
terhalbwellenlange 64
Abb. 21: Knitterwerte k fUr Sandwichdeckschichten 70
- X -
Abb. 22: Knitterspannungen und zul. Druckspannungen
fur Blechdicken von f = 0,75 und 1,25 rom 72
Abb. 23: Querschnittsgeometrie des Stahl/PUR-Sand
wichfaltwerkes 74
Abb. 24: Bezeichnungen im Querschnitt des Stahl/PUR
Sandwichfaltwerkes 76
Abb. 25: Bestim~ung des optirnalen Aufrichtwjnkels ~ op t 78
JI.bb. 26: Besti~mung der materialkostengunstigsten
Gurtscheibenbreite bopt 79
Abb. 27: "Kostengebirge" fur eine Kernschichtdicke
=
von c 80 mm und Deckschichto.icken von
=
f 0,75 und 1,25 rom 81
Abb. 28: Minimalkostenkurven fur f = 0,75 mm Ir.i t
zugehorigen Querschnittswerten 82
Abb. 29: Zusammenstellung der Minimalkostenkurven
fur f = 0,75 bis 1,50 mrr uncI c = 80 bis
120 mm 84
Abb. 30: Kostenlandschaft fur L = 18 m 86
Abb. 31: Formhaltung durch Distanzhalter und Auf
lagerrahnen 93
Abb. 32: StoBausbildung und Lastverteilung 94
Abb. 33: Mogliche Konstruktionsform von Sandwich
tragwerken mit uberwiegender Obergurt
belastung 95
Abb. 34: Versuchsaufbau cer GroBversuche 96
Abb. 35: Anordnung der ~1eBwertgeber bei den Ver
suchen A 101
Abb. 36: Anordnung der MeBwertgeber bei den Ver
suchen N1 - N 5 103
Abb. 37: Anordnung der MeBwertgeber bei Versuch N6 106
Abb. 38: Ideelle und abgeminderte Knitterspannungen
fur St 37 bei versteifungsprofilierten
Deckschichten 109
Abb. 39: Moglichkeiten der Versteifungsprofilierung 110
Abb. 40: Anordnung der MeBwertgeber bei den Ver
suchen N7 - N9 111
Abb. 41: Bruchbilder und cr/£-Diagramrre der Deck
schichtstahle 112
Abb. 42: Dichteprofile der PUR-Hartschaum-Kernschicht 113
Abb. 43: cr/£-Diagra~me aus Gurt- und Stegscheiben 116
