Zur Bemessung von SL-belasteten Anschlüssen im konstruktiven Glasbau

• Contribution to the design of lapped glass joints with bolts in bearing

Baitinger, Mascha; Feldmann, Markus (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Bei Entwurf und Bemessung von tragenden Ganzglaskonstruktionen spielt die Verbindungstechnik eine entscheidende Rolle. Denn dort, wo Glasscheiben z.B. punktförmig gehalten werden, entstehen im Bereich der Bohrungen Spannungsspitzen, die, sofern keine weiteren konstruktiven Maßnahmen ergriffen werden, aufgrund des spröden Werkstoffverhaltens nicht abgebaut oder umgelagert werden und somit plötzlichen Bruch verursachen können. Dies gilt auch für Scher-Lochleibungsverbindungen des konstruktiven Glasbaus, bei denen deswegen die Bolzenlasten über eine duktile, lastverteilende Zwischenschicht auf die Bohrungswandung des Glases wirken. Jedoch fehlen bis heute Bemessungsregeln, die eine sichere Vorhersage der aufnehmbaren SL-Belastung, vor dem Hintergrund der Streuungen und Imperfektionen des sich spröd verhaltenden Materials und der Fertigung, nicht nur für eine Einzellochverbindung sondern auch für Mehrlochverbindungen unter kombinierter Beanspruchung aus Moment, Normalkraft und Querkraft erlauben. Der Aufgabe, solche Bemessungsregeln abzuleiten, widmet sich diese Arbeit. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte analytische Berechnungsverfahren baut auf der AIRY’schen Spannungsfunktion auf, indem lokale Beanspruchungen der lochgebohrten Scheibe infolge Lochleibungsdrucks mit Beanspruchungen im Nettoquerschnitt überlagert werden und für beide Anteile eine Lösung für die AIRY’sche Spannungsfunktion gefunden wird. Die Lösungen lassen beliebige Randbedingungen zu und ermöglichen durch Rückwärtszusammensetzen der ermittelten Spannungsanteile die Ermittlung des Spannungs-Dehnungs-Zustands eines beliebigen Lochbildes bei elastisch isotropem Materialverhalten in Abhängigkeit des Lochleibungsdrucks, der Scheibendicke, des Bohrungsdurchmessers und einer sich aus dem Entwurf des Anschluss ergebenden maßgebenden Breite. Es gelang, anschließend die Analytik in einfache Bemessungsgleichungen zu überführen, bei deren Anwendung die maßgebenden Spannungen des Glasbauteils in Abhängigkeit der an der Einzelbohrung angreifenden Bemessungsbolzenlast, des Bohrungsdurchmessers und der Scheibendicke ermittelt werden kann. Einzeleinflüsse, die sich einerseits aus Montage- und Herstelltoleranzen sowie aus Entwurfsparametern ergeben, wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals systematisch mithilfe von Finite-Elemente-Berechnungen untersucht und konnten zahlenmäßig so erfasst werden, dass sie in Form von Beiwerten in die vorgeschlagene Bemessungsformel einfließen können. Die maßgebende Bolzenlast ist dabei unter Berücksichtigung der ungleichförmigen Schubkraftverteilung über die Verbindungslänge zu ermitteln. Um eine ausreichende Traglast der gesamten Konstruktion sicherzustellen, bedarf es ergänzend zum Nachweis der Glasbauteile der Bemessung des Vergussmörtels. Hierzu wurden theoretische Untersuchungen durchgeführt, durch die der Einfluss wichtiger Entwurfsparameter bzw. Einflussfaktoren aus Montage- und Herstelltoleranzen auf die Beanspruchung des Zwischenmaterials erfasst werden konnte. Diese dienen als Grundlage zur Bemessung des Vergussmörtels in Abhängigkeit von Bolzenlast, Bohrungsdurchmesser und Scheibendicke. Dabei wird auf der Materialwiderstandsseite auf die im Rahmen weiterer Forschungs- und Untersuchungsarbeiten dargestellten Materialkennwerte zurückgegriffen. Die theoretischen Untersuchungen wurden durch zahlreiche Bauteilversuche unter statischen Lasten und unter Gebrauchslastzyklen abgesichert. Analog zu den rechnerischen Untersuchungen wurden hierfür sowohl Normalkraftanschlüsse als auch Querkraft-Momenten-Anschlüsse experimentell untersucht. Ergebnis der Experimente ist nicht nur, dass die über DMS-Messungen und Bruchbildanalysen ermittelten Spannungsverteilungen der Probekörper die rechnerisch ermittelten Spannungsverläufe bestätigen, sondern es konnte auch die im Vergleich zur Plattenbeanspruchung geringere Spannungsausnutzbarkeit bei Lochleibungsbelastung nachgewiesen werden. Schlussendlich werden Teilsicherheitsbeiwerte abgeleitet und Vorschläge hinsichtlich einer normativen Regelung präsentiert.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau und Institut für Stahlbau [311710]