Ein Beitrag zum Tragverhalten von Sandwichelementen unter Punktlasten
Creators: name: Ardelmann, Niklas
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2025

description: Sandwichelemente haben sich im Hallenbau als Wand- und Dachverkleidung etabliert. Insbesondere durch die Installation von Photovoltaikanlagen (PV) auf den Dächern werden die auf gleichmäßige Flächenlasten ausgelegten Sandwichelemente an den Verbindungstellen der PV-Elemente jedoch punktuell belastet. Der Querschnitt wird infolgedessen nicht mehr gleichmäßig beansprucht und es kommt zu lokalen Spannungsspitzen im Sandwichelement. Ziel dieser Arbeit ist es, das Tragverhalten von Sandwichelementen unter Punktlasten zu untersuchen. Hierzu werden sechs Sandwichelementkonfigurationen als Zweifeldträger zunächst im elastischen Bereich punktuell belastet und über eine Vielzahl von Dehnmessstreifen das Spannungsbild in den Deckschichten quantifiziert. Anschließend wird für jedes Element ein Traglastversuch durchgeführt, um auch Einblicke in das überkritische Tragverhalten zu gewinnen. Darauf aufbauend werden die Versuche zunächst numerisch nachgebildet und den Ergebnissen der Bauteilversuche gegenübergestellt. An den validierten numerischen Modellen werden dann auch die messtechnisch nicht erfassten Schubspannungen im Kern und den Deckschichten untersucht und abweichende Sandwichelementkonfiguration und statische Systeme betrachtet. Die Querschnittsaktivierung wird in dieser Arbeit über das Prinzip der effektiven mitwirkenden Breiten auf Spannungsbasis für jede Teilschnittgröße quantifiziert. Ab-schließend wird ein Bemessungskonzept vorgestellt, welches zunächst die Teilschnittgrößen am Gesamtquerschnitt infolge der Punktlast nutzt und die lokale Spannungserhöhung dann für jede Teilschnittgröße über die jeweilige effektive Breite auf der Einwirkungsseite berücksichtigt. Auf der Widerstandsseite können die Widerstände aus der Zulassung des Sandwichelementes herangezogen werden. Das Vorgehen der Bestimmung der effektiven Breiten auf Spannungsbasis im elastischen Bereich unterscheidet sich dabei von der aktuellen Bemessungspraxis, welche die Bestimmung der effektiven Breiten einzig im Traglastzustand für Biegung und Querkraft vorsieht. Allerdings ermöglicht das hier vorgestellte Vorgehen eine herstellerübergreifende Übertragbarkeit und eine realitätsnahe Spannungsüberlagerung mit anderen Lastfällen.
description: Sandwich panels have established themselves as wall and roof cladding in hall construction. The installation of photovoltaic (PV) systems on roofs in particular, however, causes the sandwich panels, which are designed for uniform surface loads, to be subjected to point loads at the connection points of the PV elements. As a result, the cross section is no longer stressed uniformly and local stress peaks occur in the sandwich element. The aim of this work is to investigate the load-bearing behavior of sandwich panels under point loads. For this purpose, six sandwich panel configurations are loaded as two-span beams in the elastic range and the stress pattern in the surface layers is quantified using a large number of strain gauges. Subsequently, a load-bearing test is carried out for each panel in order to gain insights into the overcritical load-bearing behavior. Based on this, the tests are first numerically simulated and compared with the results of the component tests. The validated numerical models are then used to investigate the unmeasured shear stresses in the core and the faces and to consider deviating sandwich panel configurations and static systems. The cross-section activation is quantified in this work using the principle of effective widths on a stress basis for each internal force. Finally, a design concept is presented which initially uses the partial internal forces of the entire cross-section caused by the point load and then considers the local stress increase for each partial internal force via the respective effective width on the action side. On the resistance side, the resistances from the approval of the sandwich panel can be used. The procedure for determining the effective widths on a stress basis in the elastic range differs from the current design practice, which provides for the determination of the ef-fective widths only in the ultimate load state for bending and shear. However, the proce-dure presented here enables a manufacturer-independent transferability and a realistic stress superposition with other load cases.