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Deformation behavior of elastomer-glass fiber-reinforced plastics in dependence of pneumatic actuation
(2021) Mühlich, Mona; González, Edith A.; Born, Larissa; Körner, Axel; Schwill, Lena; Gresser, Götz T.; Knippers, Jan
This paper aims to define the influencing design criteria for compliant folding mechanisms with pneumatically actuated hinges consisting of fiber-reinforced plastic (FRP). Through simulation and physical testing, the influence of stiffness, hinge width as well as variation of the stiffness, in the flaps without changing the stiffness in the hinge zone, was evaluated. Within a finite element model software, a workflow was developed for simulations, in order to infer mathematical models for the prediction of mechanical properties and the deformation behavior as a function of the aforementioned parameters. In conclusion, the bending angle increases with decreasing material stiffness and with increasing hinge width, while it is not affected by the flap stiffness itself. The defined workflow builds a basis for the development of a predictive model for the deformation behavior of FRPs.
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Grundlagen für die Auslegung und Gestaltung eines Hybridmaterials für außen liegende, adaptive Fassadenbauteile aus Faserverbundkunststoff
(2020) Born, Larissa; Gresser, Götz Theodor (Prof. Dr.-Ing.)
Der Bau moderner, lichtdurchfluteter Gebäude, die damit verbundene Erwärmung im Gebäudeinneren und die daraus folgende hohe Klimaanlagennutzung, um die Temperatur möglichst konstant zu halten, hat einen zunehmenden Energieverbrauch zur Folge. Daher wird, im Kontext der Ressourceneffizienz, die Verschattung solcher Gebäude zunehmend relevant. Um ein Aufheizen im Gebäudeinneren zu vermeiden und somit den Energieverbrauch durch Klimaanlagensysteme zu reduzieren, sollten solche Verschattungssysteme nach Möglichkeit extern angebracht werden. Herkömmliche bewegliche Mechanismen beruhen auf Starrkörpermechanismen, die gelenkig miteinander verbunden werden. Insbesondere bei komplex gekrümmten Glasfassaden führen diese mechanischen Gelenke zu wartungsintensiven Konstruktionen. Eine robustere Lösung ist ein adaptives System, dessen Beweglichkeit aus lokaler Materialnachgiebigkeit resultiert. Steife Komponenten eines Bauteils können dabei um eine biegeweiche Rotationsachse bewegt werden. Für diesen Anwendungsfall wird in dieser Arbeit ein Hybridverbundmaterial bestehend aus Elastomer und duroplastischem Faserverbundkunststoff entwickelt, das die Integration lokal nachgiebiger Bereiche in ein steifes Bauteil erlaubt. Das Material wird so ausgelegt, dass es die Anforderungen an ein Außenfassadenbauteil erfüllt. Kern der Arbeit ist die Darstellung der innerhalb dieser Arbeit aufgebauten Methodik zur Entwicklung von Gelenkbauteilen aus Faserverbundkunststoff und die Vorstellung der Auslegungskriterien, die bei der Bauteilauslegung Berücksichtigung finden müssen. Innerhalb dieser Arbeit wird überdies ein zyklischer Biegeprüfstand entwickelt, der die Biegung eines Prüfkörpers, dessen Abmaße denen eines Zugprüfkörpers nach DIN EN ISO 527-4 entsprechen, um 180° in beide Rotationsrichtungen, erlaubt. Der Krafteintragswinkel ist während der Biegebewegung konstant und die Kraftmessung erfolgt direkt über Biegebalken ohne Reibungsverluste. Er ist die Grundlage für die experimentelle Untersuchung der Auslegungskriterien von FVK-Gelenkbauteilen. Im Anschluss an die Biegeprüfung ist, aufgrund der Abmaße des Prüfkörpers, eine Zugprüfung in Anlehnung an DIN EN ISO 527-4 möglich. So kann eine vergleichende Aussage über die Restzugfestigkeit zyklisch geprüfter FVK-Gelenkbauteile getroffen werden. Zunächst werden die Materialien hinsichtlich der Anforderungen an Außenfassadenbauteile geprüft und ausgewählt. Es erfolgt die Berechnung der Biegesteifigkeit und Zugfestigkeit des unsymmetrisch aufgebauten Hybridlaminats sowie die Festlegung der Auslegungskriterien. Abschließend wird, auf Basis von mechanischen Prüfungen der Auslegungskriterien und Regressionsanalysen, ein Modell aufgestellt, das die Prognose der mechanischen Eigenschaften eines FVK-Gelenkbauteils sowie die Festlegung der Bauteilgeometrie unter Vorgabe der Restzugfestigkeit nach 5.000 Lastspielen erlaubt.
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Validation of the manufacturing Methodology of prestressed fiber-reinforced polymer concrete by the variation of process parameters
(2023) Engert, Michelle; Werkle, Kim Torben; Wegner, Robert; Born, Larissa; Gresser, Götz T.; Möhring, Hans-Christian
Polymer concrete has proved to be advantageous in machine building for many years thanks to its excellent damping properties. Until now, its use was limited to machine beds due to its comparatively low tensile strength. Its use in moving structural components has not been possible until now. Recent research results have shown that this challenge can be met by integrating prestressed carbon fibers. Until now, the production of samples out of prestressed fiber-reinforced polymer concrete has been carried out according to fixed specifications. It is not yet clear whether these specifications are suitable to fully exploit the potential of the material. Samples manufactured to these specifications show at least a large scatter in bending stiffness. Within the scope of this paper, the existing manufacturing process is validated by the variation of process steps. Specifically, this involved the use of a shaker, variation of the dwell time in the mold, variation of the resin content, and the procedure for impregnating the fibers. The characterization of the samples showed that the scatter could only be reduced by increasing the dwell time. However, this leads to a decrease in bending stiffness and, thus, is not suitable for further improvement of the novel material.