Grundlagen für die Auslegung und Gestaltung eines Hybridmaterials für außen liegende, adaptive Fassadenbauteile aus Faserverbundkunststoff

Abstract

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.