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Steel cladding structures such as sandwich panels can replace bracing systems to provide further stability to individual structural members such as beams and columns. Previous researches studied the stabilizing effects of sandwich panels on the whole structure at ambient temperatures. It was shown that considerable savings could be achieved in the case of using steel cladding systems. In the STABFI (Steel Cladding Systems for Stabilisation of Steel Buildings in Fire) project, the primary objective was to study the stabilizing behavior of cladding systems in the fire. The current thesis is a part of the STABFI project focusing on the bending and translational stiffness of sandwich panels at ambient and elevated temperatures. The thesis consists of two separate parts, the bending and translational performance of sandwich panels at ambient and elevated temperatures. Sandwich panels are typically composites of two thin steel sheets and a core of higher thickness and lower density. They are valued for their excellent thermal properties. This research employs two different materials, including mineral wool (MW) and Polyisocyanurate (PIR), as a core. In the first part of the thesis, the bending tests carried out in Prague are described. The experimental results are presented in the first phase of this part. A finite element (FE) model is developed to validate simulations with experimental results, and then a comprehensive parametric study is carried out. During the parametric study, different factors such as panel thickness, width, span, the thickness of steel sheets, and the fire's influence on panels' mechanical behavior are investigated. Moreover, the analytical solutions obtained from Eurocodes (EN 14509, 2013) at ambient temperature are employed to predict the bending stiffness values. The analytical solutions are then developed to apply at elevated temperatures by incorporating the reduction factors into the equations. Eventually, the accuracy of suggested analytical equations is compared with numerical results. In the second part of the thesis, after presenting the translational tests which also conducted in Prague and validation of FE models, an extensive parametric study on the decisive factors such as the steel sheet thicknesses, screw diameters and temperature effects on the sandwich panel connections behavior is performed. The parametric study shows how each parameter affects the shear resistance and stiffness of sandwich panel connections. Furthermore, the deterioration of shear performance at elevated temperatures is evaluated. The analytical solutions achieved from the ECCS manual are used to estimate the shear stiffness and resistance of connections at ambient temperatures. At elevated temperatures, the equations are developed to anticipate the abovementioned values in the fire case. Finally, the safety and accuracy of proposed analytical solutions are assessed., Stahlverkleidungskonstruktionen wie Sandwichelemente können Aussteifungssysteme ersetzen, um einzelnen Bauteilen wie Trägern und Stützen zusätzliche Stabilität zu verleihen. Frühere Forschungen untersuchten die stabilisierende Wirkung von Sandwichelementen auf die gesamte Struktur bei Raumtemperaturen. Es wurde gezeigt, dass bei der Verwendung von Stahlverkleidungssystemen erhebliche Einsparungen erzielt werden können. Im Projekt STABFI (Steel Cladding Systems for Stabilisation of Steel Buildings in Fire) war das primäre Ziel die Untersuchung des stabilisierenden Verhaltens von Bekleidungssystemen im Brandfall. Die vorliegende Arbeit ist ein Teil des STABFI-Projekts und beschäftigt sich mit der Biege- und Translationssteifigkeit von Sandwichpaneelen bei Raum- und erhöhten Temperaturen. Die Arbeit besteht aus zwei separaten Teilen, dem Biege- und dem Translationsverhalten von Sandwichpaneelen bei Umgebungs- und erhöhter Temperatur. Im ersten Teil der Arbeit werden die in Prag durchgeführten Biegeversuche beschrieben. Die experimentellen Ergebnisse werden in der ersten Phase dieses Teils vorgestellt. Ein Finite-Elemente-Modell (FE) wird entwickelt, um die Simulationen mit den experimentellen Ergebnissen zu validieren, danach wird eine umfassende parametrische Studie durchgeführt. Während der parametrischen Studie werden verschiedene Faktoren wie Plattendicke, Breite, Spannweite, die Dicke der Stahlbleche und der Einfluss des Feuers auf das mechanische Verhalten der Platten untersucht. Außerdem werden die analytischen Lösungen aus den Eurocodes (EN 14509, 2013) bei Umgebungstemperatur verwendet, um die Biegesteifigkeitswerte vorherzusagen. Die analytischen Lösungen werden dann für die Anwendung bei erhöhten Temperaturen entwickelt, indem die Reduktionsfaktoren in die Gleichungen aufgenommen werden. Schließlich wird die Genauigkeit der vorgeschlagenen analytischen Gleichungen mit numerischen Ergebnissen verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wird nach der Vorstellung der ebenfalls in Prag Translationsversuche und der Validierung der FE-Modelle eine umfangreiche parametrische Studie zu den entscheidenden Faktoren wie den Stahlblechdicken, Schraubendurchmessern und Temperatureffekten auf das Verhalten der Sandwichelementverbindungen durchgeführt. Die parametrische Studie zeigt, wie sich die einzelnen Parameter auf die Scherfestigkeit und Steifigkeit von Sandwichelementverbindungen auswirken. Darüber hinaus wird die Verschlechterung des Scherverhaltens bei erhöhten Temperaturen bewertet. Die analytischen Lösungen aus dem ECCS-Handbuch werden verwendet, um die Schersteifigkeit und den Widerstand der Verbindungen bei Raumtemperaturen abzuschätzen. Bei erhöhten Temperaturen werden die Gleichungen entwickelt, um die oben genannten Werte für den Brandfall zu antizipieren. Abschließend werden die Sicherheit und Genauigkeit der vorgeschlagenen analytischen Lösungen bewertet., Schriftenreihe Stahlbau; 20

Faserverstärkte Sandwichstrukturen nutzen den geometrischen Versteifungseffekt durch die Erhöhung des Flächenträgheitsmoments und bieten ein hohes Potential für den ressourceneffizienten Leichtbau. Zur Optimierung der ganzheitlichen Bilanzierung eines Bauteillebens muss neben der Bauteilstruktur auch die Fertigungsmethode effizient gestaltet sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Herstellungsverfahren – der Direct Sand-wich Composite Molding (D-SCM) Prozess – konzipiert, entwickelt und validiert. Beim D-SCM Prozess wird der Schaumdruck infolge der chemischen Reaktion von schäumendem Polyurethan (PUR) im geschlossenen Fertigungswerkzeug genutzt. Dieser wirkt aus der Kernstruktur heraus auf die benetzten, textilen Decklagen und stellt den notwendigen Prozessdruck zur Decklagenkonsolidierung bereit. Ein Alleinstellungsmerkmal des D-SCM Prozesses ist die undurchlässige Barriereschicht in Form einer thermoplastischen Polyurethan-(TPU)-Folie zwischen Schaumkern und den Decklagen. Damit kann das unkontrollierte Eintreten von Schaumporen in die Decklagen verhindert werden. Innerhalb der methodischen Prozessentwicklung werden die Viskositätseigenschaften der Harzsysteme, das Kompaktierungsverhalten der Faserstruktur und die Adhäsionseigenschaften der TPU-Grenzschicht detailliert charakterisiert. Der zeitabhängige Druckaufbau des schäumenden Polyurethans in der Kernstruktur ist entscheidend für die ein-stufige Herstellung von Sandwichstrukturen im D SCM Prozess. Infolgedessen wird der Einfluss der chemischen PUR-Formulierung und der Schaumdichte auf die Druckentwicklung untersucht und das PUR-System auf Grundlage der Materialcharakterisierungen angepasst. Durch den Einsatz von Simulations- und Modellierungsmethoden werden anschließend zielführende Prozessfenster zur einstufigen Herstellung von Sandwichstrukturen im D SCM Verfahren bestimmt. Zur Prozessvalidierung werden auf Basis der identifizierten Prozessfenster zunächst Sandwichstrukturen im D-SCM Prozess hergestellt und die Bauteile im Anschluss charakterisiert. In den Decklagen werden Faservolumengehalte bis 35 % und Porositäten kleiner 1,5 % erreicht. Die TPU-Barriereschicht verhindert den Schaumeintritt in die Decklagen zuverlässig. Bei der Analyse der Bauteileigenschaften im 3-Punkt Biegeversuch zeigt sich, dass die im D SCM Prozess erzielbaren Verbundeigenschaften maßgeblich vom Schaumkern beeinflusst werden. Dieser stellt damit eine effiziente Stellgröße bei der Einstellung der gewünschten Verbundeigenschaften dar. Die Prozessdemonstration des D SCM Verfahrens an einer 2,5D Geometrie belegt zudem, dass der erzielbare Schaum-druck zum Umformen abwickelbarer Decklagenbereiche ausreichend ist und die Erkenntnisse aus der Prozessentwicklung übertragbar sind.

Das 1K- und das 2K-Spritzgießverfahren dienen zur Herstellung thermoplastischer Sandwichstrukturen, deren Deck- und Kernschicht aus einer kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Folie sowie entweder kompaktem oder geschäumtem Polypropylen besteht. Zudem erfolgt die Herstellung der Schäume durch das CELLMOULD®-Verfahren mit einem physikalischen Treibmittel. Eine geeignete kurzfaserverstärkte PP-Folie wird aufgrund ihrer mikroskopischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Beim Schaumspritzgießen ermittelt die Drei-Wege-ANOVA den Einfluss der Werkzeugtemperatur, der Eingasungsmenge und der Einspritzgeschwindigkeit auf die Dichte sowie die Zelldichte und die Zellgröße der eingespritzten Schäume. Funktional gradierte Sandwichstrukturen lassen sich durch die Mikrostruktur-untersuchung evaluieren. Die mechanischen und spezifischen mechanischen Eigenschaften der eingespritzten Proben werden in der Arbeit durch die Biegeprüfung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich faserverstärkte konventionelle PP-Folien mit 30 Gew.-% am besten für die Deckschichten eignen. Beim Schaumspritzgießen beeinflusst lediglich die Werkzeugtemperatur die Zelldichte und die Zellgröße. Funktional gradiertes Material ergibt sich bei der Sandwichstruktur, die durch 1K-Spritzgießen hergestellt wird. Aufgrund des Vorhandenseins einer geschäumten Lage, kompakter Lagen und kurzglasfaserverstärkter Lagen findet die Gradierung sich von der Mitte bis zu den Rändern der Proben statt. Das Vorhandensein von Schaumstrukturen verringert den Biegemodul und die Biegefestigkeit. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung nimmt signifikant mit den vorhandenen Glasfasern ab. Die Sandwichstrukturen führen lediglich zur Erhöhung des Biegemoduls und der Biegefestigkeit gegenüber kompaktem und geschäumtem PP. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung verhält sich bei den Sandwichstrukturen umgekehrt zum Biegemodul und der Biegefestigkeit. Beim Vergleich mittels unterschiedlicher Spritzgießverfahren produzierter Sandwichstrukturen haben die durch das 1K-Spritzgießverfahren hergestellten Proben einen niedrigeren Biegemodul und eine geringere Biegefestigkeit als die durch das 2K-Spritzgießverfahren produzierten. Jedoch zeigen die Sandwichstrukturen aus dem 1K-Spritzgießverfahren mit geschäumtem Kern den höheren spezifischen Biegemodul und die höhere spezifische Biegefestigkeit in Y-Richtung im Vergleich zu jenen aus dem 2K-Spritzgießverfahren. Außerdem weisen die verschiedenen Versagensarten der Sandwichstrukturen bei der Biegeprüfung und der Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit keine Delamination zwischen Deck- und Kernschicht auf. Bei der Berechnung durch den modifizierten Gonzales-Ansatz und die Paralleltheorie zeigt sich, dass der E-Modul der Schäume und der Sandwichstrukturen fast identisch mit jenem aus den Experimenten ist. Allerdings ist die Berechnung der faserverstärkten Proben nicht möglich, daher wird der E-Modul aus den Experimenten verwendet, um die Durchbiegung im Rahmen einer Balkentheorie zu bestimmen. Die nahezu identische Durchbiegung aus dem Experiment und der Berechnung lässt sich auch durch die Euler-Bernoulli-Balkentheorie nachweisen. Die Arbeit zeigt auf, dass die Sprünge in der Steifigkeit und Festigkeit in jeder Lage von 1K-und 2K-spritzgegossenen Sandwichstrukturen abnehmen. Auf diese Weise lässt sich die Vermeidung der Delamination zwischen Deck- und Kernschicht erreichen. Die Dichte und die Materialmenge der Sandwichstrukturen reduzieren sich ohne signifikante Abnahme des spezifischen Biegemoduls und der spezifischen Biegefestigkeit. Mit der Verwendung von mechanischen Eigenschaften von Teilkomponenten der Sandwich-struktur können die Biegeeigenschaften der gradierten Sandwich-strukturen durch eine Berechnung vorausgesagt werden.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick The 1-component and 2-component injection moulding processes are employed to produce thermoplastic sandwich structures of which the skin and core layers comprise a short glass fibre-reinforced polypropylene film and either compact or foamed polypropylene, respectively. In addition, the foams are produced using the CELLMOULD® process with a physical blowing agent. A suitable short fibre reinforced PP film is selected on the basis of its microscopic, rheological and mechanical properties. In foam injection moulding, the three-way ANOVA determines the influence of the mould temperature, gas content and injection speed on the density as well as the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded sandwich structures can be proven by using the microstructure investigation. The mechanical properties and specific mechanical properties of the injected samples are determined by the three-point bending test. The results show that fibre-reinforced conventional PP films with 30 wt% are the most suitable for the skin layers. In the case of foam injection moulding, only the mould temperature influences the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded material results from the sandwich structure, which is produced by 1-component injection moulding process, because a foamed layer, compact layers and short glass fibres reinforced layers occur from the middle to the edges of these samples. The presence of foam structures reduces the flexural modulus and the flexural strength. The bending elongation at maximum bending stress decreases significantly with the existing glass fibres. The sandwich structures only increase the flexural modulus and the flexural strength compared to compact and foamed PP. The bending elongation at maximum bending stress behaves in the opposite way in the sandwich structures compared to the flexural module and the flexural strength. When comparing sandwich structures produced using different injection moulding processes, the sandwich structures produced by the 1-component injection moulding process have a lower flexural modulus and a lower flexural strength than those produced by the 2-component injection moulding process. However, the sandwich structures with foamed core from the 1-component injection moulding process show the higher specific flexural modulus and the higher specific flexural strength in Y-direction compared to those in the same direction from the 2-component injection moulding process. In addition, the various types of failure of the sandwich structures during the bending test and the determination of the interlaminar shear strength provide no delamination between the skin and core layers. The calculation suggests that the modulus of elasticity of the foams and the sandwich structures, calculated by the modified Gonzales approach and the parallel theory, respectively, is almost identical to that from the experiments. Nevertheless, the calculation of the fibres-reinforced samples cannot be achieved, hence, the modulus of elasticity of the fibres-reinforced samples from the experiments is used to determine the deflection based on a beam theory. The almost identical deflection from the experiment and the calculation can also be demonstrated by the Euler-Bernoulli beam theory.The work shows that the significant change in rigidity and strength decrease in each layer of 1-component and 2-component injection moulded sandwich structures. Thus, the avoidance of delamination between the skin and core layers can be achieved. The density and the amount of material in the sandwich structures are reduced without a significant decrease in the specific flexural modulus and the specific flexural strength. With the use of mechanical properties of subcomponents of the sandwich structure, the bending properties of the graded sandwich structures can be predicted by a calculation.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick

Ziel der Arbeit ist es eine Faltstruktur als gewichtsminimierte, weitgespannte, stützenfreie Überdachung zu erstellen. Durch die dreidimensionale Faltung entsteht eine freitragende Struktur ohne zusätzliche Stützen innerhalb der Spannweite. Dafür werden verschiedene Origamifaltungen untersucht und die Charakteristika einander gegenübergestellt. Die analogen Experimente der verschiedenen Formen dienen zur Auswahl eines Faltmusters, das für die weitere Verarbeitung verwendet wird. Das ausgewählte Faltmuster wird anhand seiner geometrischen Proportionen parametrisiert, wobei die Größe der Grundelemente und die Grundform des Patterns als Variable festgelegt werden. Eine Simulation durch particle-spring systems mit dem Rhino/Grasshopper Plugin Kangaroo2 ermöglicht eine räumliche Übertragung des flachen Faltmusters auf ebene, einfach und doppelt gekrümmte Geometrien. Die erstellte Struktur wird unter Zuhilfenahme der Finite Elemente Analyse-App, Karamba3D, nach strukturellen Kriterien und quantitativ bewertet. Eine schrittweise Optimierung wird mittels Variation der Elementgrößen angestrebt. Im Zuge einer Case Study wird die Tragkonstruktion als Atriumsüberdachung für das Wien Museum angewandt. Die Ergebnisse der strukturellen Analyse werden hierbei berücksichtigt und es erfolgt eine Anpassung der Faltelementgröße an die architektonischen Wünsche. Durch Berücksichtigung von bauphysikalischen Randbedingungen können erforderliche Detaillösungen wie Belichtungsmöglichkeiten entwickelt werden. Der Montageablauf wird in einer Bauphasensimulation dargestellt, wobei Transport, Lagerung und Dauer der Montage berücksichtigt werden., This master thesis aims to generate a folding structure used as a column-free, lightweight construction for canopies. Through the three-dimensional folding, the structure behaves as a self-supporting system, achieving stiffness without additional columns within its span. Therefore, various crease patterns analogously were built to identify their characteristics. One particular pattern is selected for further processing after comparing and evaluating the geometry, architecture, and statics of different crease patterns. The defined crease pattern is built parametrically, with the size of the base element being one of the main variables, where the second variable is being the global geometry. Using particle-spring systems simulation tool Kangaroo 2®, the flat-folding pattern can be applied to two-dimensional, simply, and doubly ruled surfaces. The resultant structure is assessed according to structural criteria using the Finite Element Analysis of Karamba 3D. The structural performance, architectural goals are compared to evaluate the quality of the final result. A step-by-step optimization provides information about the structure’s behavior when using different element sizes. The following case study applies the supporting structure as an atrium canopy to the Vienna museum. In doing so, the structural analysis results are taken into consideration, and the sizes of the folding ele-ments are adapted to meet the structural challenges. Detailed solutions can be developed if required taking environmental fac-tors into account. The assembly process is presented in a simula-tion of the building sequence, including transport, storage, and duration of the installation.

Carbon fiber reinforced carbon-silicon carbide (C/C-SiC) sandwich structures have been developed using the Liquid Silicon Infiltration process and the in situ joining method. They offer high mass-specific stiffness, low thermal expansion, and high environmental stability. Potential application areas are highly precise satellite structures, like optical benches. In this study, sandwich samples were manufactured using prepregs based on 2D carbon fibre fabrics and a phenolic resin precursor. Carbon fibre reinforced polymer preforms for folded and grid-cores, as well as for the skin panels were manufactured using autoclave technique. In the second step, the sandwich components were pyrolyzed, leading to C/C preforms. For the build-up of the sandwich samples, two skin panels were joined to a core structure and subsequently, the resulting C/C sandwich preform was siliconized. C/C-SiC sandwich samples were tested under shear load. Shear strength, modulus, and fracture strain were determined and compared to the results obtained by analytical calculation. The shear properties were dependent on the fiber orientation in the core structure as well as on the core type and orientation. The sandwich shear stiffness obtained in the tests was close to the expected theoretical values, calculated on the basis of the material properties and the core geometry.

Steigende Leichtbauanforderungen führten in den vergangenen Jahren zu einer verstärkten Weiterentwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und besonders leistungsfähiger Verfahrenstechnik für die Umsetzung leichter Automobilkomponenten in Großserie. Im Fahrzeuginterieur konnten sich naturfaserverstärkte Kunststoffe erfolgreich etablieren, die in Form flächiger Wirrfaserhalbzeuge zu formgepressten Verkleidungselementen verarbeitet werden. Für die Auslegung derartiger Verkleidungsbauteile ist eine monolithische Leichtbauweise charakteristisch, bei der zur Gewährleistung erforderlicher mechanischer Eigenschaften die minimalen Halbzeugflächenmassen bauteilabhängig im Bereich 1200–1400 g/m2 liegen. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale stellt die Anwendung der Sandwichverbundbauweise eine aussichtsreiche Leichtbaustrategie dar, die aufgrund des Fehlens anforderungsgerechter Materialkonzepte bisher kaum Berücksichtigung fand. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Leichtbaukonzepts in neuartiger Sandwichbauweise, welches die Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Bauteilstabilität erfüllt und eine signifikante Reduktion der Flächenmasse unter 1000 g/m2 gestattet. Die verfahrenstechnische Grundlage bildet eine neuartige durchgängige Prozesskette, wobei leichte Naturfaser-Polypropylen-Hybridvliesstoffe in Kombination mit einer Kunststoffschaumfolie in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Sandwichhalbzeug und anschließend in automatisiertem Formpressverfahren zu einem komplex geformten Bauteil verarbeitet werden. Durch eine umfangreiche Charakterisierung der einzelnen Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette werden in zugehörigen Sensitivitätsanalysen optimale Fertigungsparameter ermittelt und bei der Herstellung eines Technologiedemonstrators validiert. Darüber hinaus wird am Beispiel dieses Technologiedemonstrators erstmalig ein integrativer Simulationsansatz erarbeitet, der umformbedingte lokale Änderungen der Flächenmasse und der resultierenden Werkstoffkennwerte bei der numerischen Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse berücksichtigt. Abschließend erfolgt im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung die Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen der entwickelten Sandwichverbundtechnologie sowie die Untersuchung einer verfahrenstechnischen Lösung zur stofflichen Wiederverwertung von Produktionsreststoffen und Altbauteilen.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung Rising lightweight requirements have led in recent years to an intensified development of new lightweight materials and high-performance processing technologies for the implementation of lightweight automotive components in a large scale production. For trim parts in the automotive interior, natural fiber-reinforced plastics in the form of nonwovens, are successfully established. To fullfill the mechanical requirements, the most common design of such parts is monolithical with an component specific area weight of the semi-finished products between 1200–1400 g/m2. A promising strategy for generating further lightweight potentials are sandwich constructions, which are currently rarely used in the automotive interior, due to the lack of suitable material concepts. The aim of this work is the development of a new sandwich-based lightweight concept, that fullfills the requirements in terms of formability and component stability, by permitting a weight reduction of the semi-finished product below 1000 g/m 2 at the same time. The part production is based on a novel process chain, where light NF-PP hybrid nonwovens are continuously processed with a polymeric foam foil to a semi-finished product, that is formed afterwards to complex parts in a compression molding process. The optimal processing parameters along the entire process chain are determined by sensitivity analyses, and validated by a technology demonstrator. In addition, the technology demonstrator will be used for the development of a novel simulation approach, where local changes of the area weight in the forming process and the resulting material properties are taken into account for a numerical analysis of stiffness and strength. Finally the potential environmental impact of the new sandwich-based lightweight technology and a possible method for material recycling are investigated.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung

Mit der Präsentation wird ein aktueller Stand der Technik zu analytischen Ansätzen zur gewichtsoptimalen Auslegung von Insertlasteinleitungen (Minimierung des Durchmessers) in Sandwichpaneelen mit Wabenkernen gegeben. Hier zeigt sich, dass die aktuellen Formulierungen aufgrund nicht hinreichender Ergebnisgenauigkeit bisher nicht für eine effiziente Vorauslegung taugen - Zu viele Einflussfaktoren werden entweder nicht berücksichtigt oder sind schlicht noch unbekannt: - Es werden unterschiedliche Schädigungsmechanismen bei unterschiedlichen Höhe-Breite-Verhältnissen der Wabenwände des Honigwabenkerns vermutet. - Sekundäre Biegemomente bei irregulären, asymmetrischen Pottingformen haben einen großen Einfluss haben. - Existierende Homogenisierungsansätze für Wabenkerne liefern stark unterschiedliche Ergebnisse. - Diverse, unterschiedliche Interpretation des Erstversagenspunkts könne größtenteils nicht korrekt sein. Durch das genaue Beobachten des Versagensablaufs (Hystereseversuche, Schnittproben, Belastung unter Beobachtung im CT- oder Röntgenapparat, …) sollen diese Punkte genauer beobachtet, beschrieben und eine erweiterte analytische Formulierung genutzt werden.

Am Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), wird, im Rahmen des Verbundforschungsprojektes Next Generation Car (NGC), ein sehr leichtes Fahrzeug-konzept der L7e-Klasse, als Forschungsdemonstrator, mit einem Karosseriegewicht von nur 90 kg entwickelt, das gleichzeitig sehr gute Crasheigenschaften aufweist. Das Strukturkonzept beinhaltet die konsequente Anwendung von Hybrid-Werkstoffen in einer Sandwichbauweise, so dass sich eine leich-te Struktur ergibt, die aus vergleichsweise wenigen, einfach geformten Bauteilen besteht. Diese Struk-tur wird durch FE-Simulationen sowie durch statische und dynamische Versuche, für verschiedene Crashlastfälle untersucht. Die hohen Anforderungen an Gewicht und Crashsicherheit erfordern außerdem ein leichtes, auf die Crashszenarien abgestimmtes Fahrwerkskonzept, das ebenfalls durch Simulation und experimentell untersucht wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden hier vorgestellt.

Für eine deutliche Gewichtsreduktion von Straßenfahrzeugen durch hybriden Leichtbau muss auf ganz neue Werkstoffgruppen wie Sandwichmaterialien zurückgegriffen werden. Diese haben bereits vereinzelt Anwendungen in wenig belasteten Flächenbauteilen in Wohnmobilen oder Transportfahrzeugen gefunden. Dass Sandwichwerkstoffe, bestehend aus zwei steifen Decklagen und einem extrem leichten Kernmaterial, aber auch ein hohes Potenzial für den Einsatz als tragende Strukturen besitzen, konnte bereits im Großforschungsprojekt des DLR „Next Generation Car“ demonstriert werden. Der größte Hinderungsgrund für den Einsatz dieser neuartigen Materialien in Serienprodukten ist der Mangel an geeigneten, lösbaren und simulierbaren Fügekonzepten. Daher werden im Forschungsprojekt „PuVerSand“ (Entwicklung von Konzepten und Auslegungsstrategien zum punktförmigen Verbinden von innovativen, strukturell tragenden Sandwichstrukturen), das vom Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg gefördert wird, die vielversprechendsten Verbindungselemente geclustert und eine methodische Auslegungs- und Prüfungsmethodik entwickelt. Dabei werden sowohl formschlüssige Fügungen, wie spezielle Kunststoffschrauben, als auch Inserts, die durch eine Kombination aus Form- und Stoffschluss mit Decklage und Kernmaterial verbunden werden, betrachtet, verglichen und deren Eignung für unterschiedliche Kernmaterialien eingestuft. Ziel des Projektes ist es, lösbare Fügetechniken für Sandwichverbundsysteme zu untersuchen und das Gesamtverbundsystem hinsichtlich Auslegung, Berechnung, Simulation und Fertigungsprozesse zu optimieren. Diese innovative Auswahlstrategie kann anschließend auf jedes Sandwichmaterial oder neues Fügeelement übertragen werden und hilft dem Anwender dabei zeiteffizient, methodisch und zielführend zu einer individuellen Fügelösung zu kommen.

Sandwichelemente vereinen aufgrund des gezielten Einsatzes verschiedener Materialien und deren schichtartigen Aufbaus sehr gute Dämmeigenschaften und ein geringes Eigengewicht mit hoher Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit. Sie werden daher seit Beginn der 1960er-Jahre sowohl im Metallleichtbau als auch im Stahlbetonmassivbau vielfältig eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Sandwichelemente mit Deckschichten aus einem mikro- oder auch textilbewehrtem Hochleistungsbeton und einem Kern aus extrudiertem Polystyrol-Hartschaum umfangreich experimentell und rechnerisch untersucht. Ziel war es, den Verbund zwischen dem Kern und den Deckschichten ohne mechanische Verbundmittel, sondern rein über die Adhäsion des profilierten Dämmkerns und den Deckschichten zu erzielen. Das Sandwichtragverhalten wurde durch eine Vielzahl von Biege- und Scherversuchen experimentell untersucht. Die Dauerhaftigkeit des Verbunds zwischen dem Kern und den Deckschichten wurde durch eine Frost-Tau-Wechselbeanspruchung der Scherprobekörper sowie durch eine zyklische Ermüdungsbeanspruchung der Biegeprobekörper bestimmt. Anhand der Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass die Sandwichelemente bei der Verwendung als Wand- oder Dachelement den praxisüblichen Beanspruchungen standhalten und nicht vorzeitig versagen. Das Tragverhalten wurde weiterhin in Bauteilversuchen an großformatigen Sandwichelementen überprüft. Hierzu wurden in einem eigens konstruierten Unterdruckprüfstand zweifeldrig gelagerte Sandwichelemente einer realitätsnahen Beanspruchung durch eine Flächenlast ausgesetzt. Die Materialeigenschaften, die anhand der Scherversuche sowie an Dehnkörperversuchen am bewehrtem Beton ermittelt wurden, dienten zudem als Eingangsparameter zur rechnerischen Untersuchung der Sandwichelemente mit der FE-Software ANSYS. Auf Grundlage der Modellierungen konnten die Versuchsergebnisse interpretiert und das Tragverhalten in Parameterstudien vertiefend analysiert werden. Darüber hinaus wurden auch die Einwirkungen aus einer Temperatur- und Schwindbeanspruchung der Elemente ermittelt. Über Ingenieurmodelle auf Grundlage der Sandwichtheorie konnte bisher der Einfluss der Rissbildung in den Betondeckschichten nur überschlägig und gemittelt über die Länge der Elemente berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurde ein bestehendes Programm zur Ermittlung der Sandwichschnittgrößen um einen Ansatz zur Berücksichtigung der Steifigkeitsreduzierung infolge der Rissbildung umfangreich erweitert. Mit dem neuen Programm swe2+ können nun erstmalig die Schnittgrößen und Verformungen von Sandwichelementen mit gerissenen Betondeckschichten zielsicher und diskret über die Länge eines Sandwichelements ermittelt werden. Durch Beispielrechnungen wurde gezeigt, dass die Umlagerung der Schnittgrößen infolge der Rissbildung in den Deckschichten zu ungünstigeren Beanspruchungen führen kann und diese Umlagerungen bei der Bemessung der Elemente entsprechend zu berücksichtigen sind. Die Bemessung der hier untersuchten Sandwichelemente kann in Anlehnung an die Norm DIN EN 14509 zur Bemessung von Sandwichelementen mit metallischen Deckschichten durchgeführt werden. Durch die Nachrechnungen der Biegeversuche wurde gezeigt, dass auf diese Weise die Elemente mit ausreichender Sicherheit und sehr guter Übereinstimmung bemessen werden können. Dies wird abschließend in zwei Bemessungsbeispielen an einem Wand- sowie einem Dachelement demonstriert. Due to the carefully chosen use of materials in multiple layers, sandwich elements combine high insulation properties and a low dead weight with a high bearing capacity and high bending stiffness. For these reasons, sandwich elements have been used since the 1960s for light weight steel construction as well as for reinforced concrete construction. For this thesis, sandwich elements with facings of micro- and textile-reinforced high performance concrete and a core of extruded polystyrene foam were extensively investigated in experiments and finite-element calculations. The bond between the core and the facings was achieved without any mechanical bonding devices just by adhesion between the textured insulation core and the facings. The sandwich bearing behaviour was investigated in a large number of bending and shear tests. The durability of the bond between the core and the facings was determined in freeze-thaw tests of the shear specimens and cyclic fatigue loading of the bending specimens. The test results show that the sandwich elements are able to transfer the anticipated loading and do not fail during the service life time when used as wall or roof elements. Furthermore, the bearing behaviour was investigated in full-scale element tests. As part of this, two-span bending specimens were exposed to a realistic distributed load in a specially constructed low-pressure test rig. The material properties, which were determined in the shear tests as well as in tensile tests on reinforced concrete, were used as input parameters for the numerical investigation of the sandwich elements with the FE-software ANSYS. On the basis of the FE-modelling, the results of the experiments were interpreted and the bearing behaviour was analysed in depth in parametric studies. As part of this, the strains resulting from shrinkage and temperature loading of the elements were determined. With existing calculation models based on the sandwich theory, the influence of concrete cracking of the facings can only be calculated approximated and averaged over the length of the elements. For this reason, an available program for the determination of the internal forces of sandwich elements was considerably extended. By introducing an additional routine, the stiffness reduction caused by the cracking of the concrete is taken into account. With the new program swe2+, the internal forces and the deformations of sandwich elements with cracked concrete facings can now be determined accurately over the length of a sandwich element. It is shown in example calculations that the redistribution of internal forces caused by the cracking of the facings may result in more critical stress states. Therefore, this redistribution of the internal forces has to be taken into account in the structural design of the elements. The design of the elements investigated can be carried out according to the standard DIN EN 14509 for the design of sandwich elements with metal facings. By the comparison of the calculation results with the results of the bending tests, it was shown that the elements are designed with a sufficient margin of safety and correlation. Finally, the structural design of a wall and roof element is demonstrated in an example.

Vorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Motivation für Leichtbau B-Säulen Spant aus CFK Sandwichbauweise Untersuchung von PU-Schaumproben Fahrzeugkonzept in Sandwichbauweise

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Diese Abhandlung dokumentiert wesentliche Forschungsergebnisse der Untersuchung von transluzenten Sandwichstrukturen in ihrer Eignung und Verwendbarkeit als tragende Konstruktionselemente in baulichen Strukturen. Vor dem Hintergrund der Bestrebungen, materialsparende und energieeffiziente Produkte für ein zunehmend komplexes Anforderungsprofil zu entwickeln, steigt seit einigen Jahren der Anteil konstruktiver Bauteile in Sandwichbauweise in der Architektur und im Bauwesen stetig an. Dabei spielt der Leichtbaucharakter dieser Bauweise eine entscheidende Rolle. Sandwichstrukturen sind aufgrund ihres geschichteten flächigen Aufbaus in der Regel als Platten oder Paneele erhältlich. Sie lassen sich als biegebeanspruchte Platten, Wandscheiben oder auch als räumlich gekrümmte Flächen verwenden und kombinieren. Seit einigen Jahren werden auch mehrschichtige Plattenwerkstoffe auf dem Markt angeboten, die aus lichtdurchlässigen Kunststoffen wie Acrylglas, Polycarbonat oder Glasfaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Sie werden in unterschiedlichsten Formen, Farben, Strukturen und Abmessungen hergestellt. Die Bandbreite der Produktpalette orientiert sich dabei vor allem an den Herstellungsmöglichkeiten und marktgängigen Fertigungstechniken der Kunststoffindustrie. Betrachtet man den überwiegenden Teil der praktischen Anwendungen dieser Plattenmaterialien, so wird deutlich, dass ein großer Anteil der Verwendung den Sandwicheffekt gar nicht oder nur eingeschränkt nutzt. In diesem Zusammenhang steht vorrangig die Frage, welche dieser Produkte den Strukturprinzipien eines Sandwichverbundes wirklich entsprechen und die statisch-konstruktiven Vorzüge des Sandwichverbundes effektiv nutzen können. Bisherige Anwendungsschwerpunkte sind Messe- und Innenausbauten sowie Fassaden bei Freizeit- und Industriebauten. Die statisch-konstruktiven Potentiale, die der mehrschichtige Aufbau der Produkte teilweise mit sich bringt, bleiben aber weitgehend ungenutzt. Die konstruktive Verwendung und Fügung unterscheidet sich bisher nicht wesentlich von der monolithischer Plattenmaterialien. Kapitel 1 beschreibt einführend die grundlegenden Prinzipien der Sandwichbauweise und dient zur Definition von Begriffen und Bezeichnungen. Bezug nehmend zu opaken Sandwichstrukturen werden wesentliche Merkmale und grundlegende Eigenschaften transluzenter Sandwichstrukturen aufgezeigt. Basierend auf einer umfangreichen Produktanalyse sowie ausgewählten Anwendungsbeispielen wird in Kapitel 2 eine strukturbasierende Typologie transluzenter Sandwichstrukturen aufgestellt. Dabei werden unterschiedliche bauliche Eigenschaften überprüft und tabellarisch gegenübergestellt. Ein spezieller Fokus liegt dabei auf der Untersuchung, in welcher Weise das jeweilige Herstellungsverfahren Einfluss auf das jeweilige Eigenschaftsprofil der Plattenprodukte besitzt. In ausgewählten Projektbeispielen werden Stärken und Schwächen des bisherigen Einsatzes mit Schwerpunkt in bau- und tragkonstruktiver Hinsicht aufgezeigt und bewertet. In Kapitel 3 erfolgt die Untersuchung der in Kapitel 2 vorgestellten transluzenten Sandwichstrukturen in Form von Versuchsreihen hinsichtlich ihrer statisch-konstruktiven Fähigkeiten. Die resultierenden Ergebnisse bilden die Grundlage zur Beurteilung der konstruktiven Eignung der untersuchten Sandwichverbunde für tragwerksrelevante Anwendungen. Basierend auf den Versuchsergebnissen aus Kapitel 3 wird in Kapitel 4 der Plattentyp mit dem größten statisch-konstruktiven Potential einer weiterführenden Optimierung unterzogen. Hierbei werden zwei Ansätze verfolgt: zum einen die Optimierung der Deckschichtlage in ihrer Materialbeschaffenheit und Verbundwirkung, zum anderen die Optimierung der Kernschichtlage in Bezug auf die geometrische Struktur. In Kapitel 5 wird neben der tragkonstruktiven Eignung des in Kapitel 4 optimierten transluzenten Sandwichverbundes die baupraktische Verwendbarkeit und Einsatzfähigkeit untersucht. Hierzu werden erweiterte Anwendungsspektren in der Architektur und dem Messebau aufgezeigt. Ziel ist dabei die Nutzung der Sandwichplatte als Konstruktionsraum für Fügetechnik. Den aufgezeigten Potentialen für selbsttragende Anwendungen wird versucht, fügetechnisch zu begegnen. Die konstruktive Fügung ist Thema praktischer Detailstudien und Modellversuche zu material- und anwendungsgerechten Methoden des Fügens, die in diesem Kapitel exemplarisch aufgezeigt und bewertet werden. Zusammenfassende Schlussfolgerungen bilden den Abschluss mit einem Ausblick auf weiterführende Anknüpfungspunkte der Forschung.

Mit der Entwicklung und Einführung ökologischer Bauweise im Neubau sowie neuen Baustoffsystemen in Sandwichbauweise wird es zunehmend erforderlich, neue effektive Befestigungsvarianten zu entwickeln, die eine dauerhafte Fixierung auch unter sicherheitstechnischen Bestimmungen sowie aus Garantie- bzw. haftungsrechtlichen Gründen ermöglichen. Die aus der Praxis bisher bekannten chemischen Befestigungssysteme (Zweikomponentenverbundmörtel, Verbundankerpatronen) weisen hinsichtlich der Applikation unter bautechnischen Bedingungen noch einige Nachteile auf. Dazu gehören vor allem längere Aushärtungszeiten zur Realisierung der abschließenden Verbundfestigkeit, Inhomogenitäten im Verbund, der Einsatz toxischer Verbindungen und eine Limitierung der Applikationsmöglichkeiten in horizontalen und Überkopf-Einsatzbereichen sowie Hohlkammersystemen. Alle zuvor genannten Punkte haben bis jetzt die Nutzung solcher Verbundwerkstoffe als universale Anwendungsmöglichkeit verhindert. Ein neues chemisches Befestigungssystem, welches aus Novolak gehärteten mit Hexamethylentetramin (Hexa) und anorganischen Füllstoff besteht, wurde für Applikationen in Beton entwickelt. Das Bindemittel härtet bei der Temperaturzuführung aus. Die unkatalysierte Befestigungsmasse zeigt bei einer Temperatur zwischen 150-300 °C eine hohe Reaktivität. Die Vorteile dieses Systems sind die unbegrenzte Lagerfähigkeit der vorgemischten härtbaren Masse sowie die Gewährleistung einer homogenen Netzwerkstruktur im gesamten Verbund und sie ist frei von giftigen und flüchtigen Substanzen. Auf den Einsatz toxischer Substanzen wurde verzichtet. In dieser Arbeit wurde die Gesamtkinetik der Reaktion während des Aushärtungsprozesses dieser Polymerkomposite untersucht. Die DSC- (nicht-isothermen, isothermen) und MDSC-Untersuchungen haben sich als ein sicheres Verfahren zur Qualitätskontrolle des Aushärtezustands der Befestigungssysteme herausgestellt. Parallel zur nicht-isothermischen und isothermischen DSC wurden Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt, um den Endpunkt der Aushärtungsreaktion zu bestimmen. The development and introduction of ecological construction methods and the use of sandwich materials make it necessary to develop new fixing systems and technologies. Dealing with the application in concrete and other substrates commercial chemical fixing systems show some disadvantages up to date. Especially the rather long curing time in order to realize the final bond strength, inhomogenities in the composite, the partial use of toxic substances and application limits of such systems in horizontal direction as well as hollow section materials has so far prevented the use of such composites for all-purpose applications. A new chemical fixing system, which consists of hexamethylene tetramine (hexa) cured novolac and inorganic filler, was developed for application in concrete. It is applied by a thermo-curing procedure. The uncatalyzed curable mixture has a high reactivity at temperature between 150-300 °C. Compared with commercial chemical fixing systems, the premixed curable mass has many benefits. First it has a unique storage stability and second, it is free of toxic and volatile substances. Another important aspect is, it is self-foaming. In this study was investigated the overall kinetics of the reaction during the curing process of these polymer composites. An appropriate method for this experiment proved to be the DSC in isothermal and non-isothermal mode and MDSC. This turned out to be a safe quality control technique for these systems. Parallel to the non-isothermal and isothermal DSC conductivity measurements have been performed to determine the end point of the curing reaction.

Ill., graph. Darst.

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Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Einsatzmöglichkeit bzw. grundsätzliche Eignung einer bewehrten Putzschicht als tragender Bestandteil von großformatigen, selbsttragenden Dämmelementen, die vorgefertigt über spezielle Befestigungssysteme an die Fassade appliziert werden, experimentell und numerisch untersucht. Da für derartige Dämmelemente keine gültigen Vorschriften existieren, wurde mit Hilfe eines experimentell-numerisch orientierten Weges Grundsätzliches zum Spannungs-Dehnungs- und Verformungsverhalten der Dämmelemente mit bewehrter Putz-Deckschicht ermittelt. Um die Komplexität des Trag- und Verformungsverhaltens dieses Mehrschicht-Verbundelementes erfassen zu können, wurde ein umfangreiches, dreidimensionales FE-Modell erstellt und anhand von experimentellen Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten klein- und mittelformatiger Dämmelemente unter statischer und hygrothermischer Belastung überprüft und validiert.