Zur Tragfähigkeit von Sandwichelementen unter lokaler Beanspruchung
Creators: name: Lübke, Sebastian
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2014
Subjects: subject: Sandwichelemente
subject: Lasteinleitung
subject: Auflagertragfähigkeit
subject: Durchknöpfen
subject: Knittern
subject: 690

description: Sandwich panels are mainly used as facade elements for walls and roofs. Through combination of thin-walled, a fraction of a millimeter thick, outer metal face sheets and an isolating inner core the element can isolate, seal and carry loads as one single member. Sandwich panels can carry high uniformly distributed loads while their self-weight is still low at the same time, due to the composite of the face sheets to the core. Concentrated localized loads, as they are applied to the element at bearing situations, either pointed anchoring or linear support on the sub structure, are more problematic for the elements though and can lead to early local failure. The aim of this thesis is to develop a mechanical model that describes the load bearing behaviour of sandwich panels subjected to localised loads. First experimental tests and numerical calculations using the method of finite elements have been performed. A mechanical model can be derived from the results of these investigations that allows to calculate the load bearing capacity by design formulae. A design procedure for pull-through failure for pointed loads and local compression bearing capacity for linear supports is developed based on this mechanical model. The mechanical model for the local load bearing behaviour also allows to further investigate the interaction between localised loads and the wrinkling failure of face sheets. In the context of the research performed here a wrinkling design procedure was developed that allows to derive the wrinkling strength from a second order analysis, which takes into account the effects due to localized loads through equivalent geometric imperfections. The results of the thesis at hand allow a theoretical calculation of the load bearing capacity of sandwich panels subjected to localised loads. Therefore current design formulae from DIN EN 14509 can be optimized and procedures of design by testing in the context of technical approvals are not necessary any more.
description: Sandwichelemente werden im Bauwesen als raumabschließende Fassadenelemente im Wand- und Dachbereich eingesetzt. Die Kombination von äußeren wenigen Zehntel Millimeter dünnen metallischen Deckschichten mit einem inneren wärmedämmenden Kernwerkstoff ermöglicht es die Funktionen Tragen, Dämmen und Dichten in einem Bauteil zu vereinen. Durch den schubsteifen Verbund der Deckbleche mit dem Sandwichkern sind die Elemente in der Lage hohe äußere, gleichmäßig verteilte Belastungen bei geringem Eigengewicht abzutragen. Jedoch stellen konzentrierte Lasten, wie diese an Stellen der punktuellen Verankerung oder der Linienlagerung auf der tragenden Unterkonstruktion auftreten, das Bauteil vor ein nicht unerhebliches Lasteinleitungs- bzw. Lastweiterleitungsproblem und können zu einem frühzeitigen lokalen Versagen führen. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieser Arbeit eine mechanische Modellvorstellung zum Tragverhalten von Sandwichelementen unter lokaler Beanspruchung zu entwickeln, um damit eine Bemessung von Sandwichelementen an Auflagerstellen durchführen zu können. Zunächst werden umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen mit der Methode der Finiten Elemente vorgestellt. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen wird eine mechanische Modellvorstellung für die Lasteinleitung an Sandwichelementen mit ebenen Deckblechen und einem PUR-Schaumkern entwickelt. Die Übertragung dieses mechanischen Modells in mathematische Formulierungen erlaubt es das lokale Tragverhalten rechnerisch zu erfassen. Ein Bemessungsverfahren zur Bestimmung der lokalen Durchknöpftragfähigkeit bei punktueller Lasteinleitung und zur lokalen Drucktragfähigkeit an den Linienlagerungen der Elemente wird im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Die mechanische Modellvorstellung zum lokalen Tragverhalten ermöglicht es auch das interaktive Tragverhalten zwischen Lasteinleitung und einem Knitterversagen der Deckbleche weiter zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Bemessungsansatz zur Knittertragfähigkeit entwickelt, der die lokale Betrachtung um die Interaktion mit dem globalen Bauteiltragverhalten vervollständigt. Dazu wird das Knitterproblem in ein Spannungsproblem nach Theorie II. Ordnung überführt, wobei die Effekte aus lokaler Lasteinleitung durch geometrische Ersatzimperfektionen berücksichtigt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen eine theoretisch-rechnerische Bemessung von Sandwichelementen unter lokaler Beanspruchung. Dadurch können derzeitige Bemessungsmodelle der DIN EN 14509 verbessert werden und experimentelle Verfahren für bauaufsichtliche Zulassungen ersetzt werden.