Abstract:

Membrantragwerke – häufig hergestellt aus beschichteten Geweben – tragen ex-terne Lasten nur durch Zugspannungen in der Membranebene ab, typischerweise in Form von biaxialen Spannungszuständen. Ein wichtiger und herausfordernder Aspekt der Tragwerksberechnung ist die Bestimmung von Steifigkeitsparametern, die das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Gewebe in diesen Spannungszuständen in geeigneter Weise modellieren. Dies gestaltet sich für beschichtete Gewebe wegen ihres sehr komplexen Steifigkeitsverhaltens äußerst schwierig. Im Allgemeinen verhalten sich Gewebe nichtlinear, nichtelastisch und deutlich anisotrop. Gleichwohl basiert die aktuelle Membranbaupraxis auf einem vereinfachten orthotropen, linear-elastischen, ebenen Materialgesetz, das auf den elastischen Konstanten “Ver-formungsmodul” und Querkontraktionszahl beruht. Die elastischen Konstanten müssen für jedes Material in biaxialen Zugversuchen bestimmt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Prinzipien zur be-messungsorientierten Bestimmung elastischer Konstanten derart, dass sie das tatsächliche Spannungs-Dehnungs-Verhalten von allen üblichen Architekturgeweben für alle Tragwerksformen gut approximieren. Der Fokus liegt dabei auf den gebräuchlichsten Produkten: PVC-beschichtete Polyestergewebe und PTFE-be¬schichtete Glasfasergewebe. Das Fundament der vorliegenden Arbeit ist sowohl eine umfassende Studie des Tragverhaltens aller typischen Membranbauformen – antiklastisch, synklastisch und eben – als auch der Steifigkeitseigenschaften der Architekturgewebe. Eine Erörter-ung des mechanischen Hintergrunds zum orthotropen, linear-elastischen Material-gesetz bei Anwendung auf den ebenen Spannungszustand liefert die Randbe-dingungen für die Anwendung der elastischen Konstanten, besonders im Bezug auf Grenzwerte für die Querkontraktionszahlen. Eine Analyse internationaler Biax-Versuchs- und Auswerteprozeduren identifiziert die Stärken und Schwächen der aktuellen Praxis. Vorhandene Wissenslücken werden durch experimentelle Unter-suchungen an der ganzen Bandbreite der gebräuchlichen Gewebetypen für die tex-tile Architektur geschlossen. Aus der Kombination aller Erkenntnisse werden Prinzipien für fundierte Biax-Versuchs- und Auswerteprozeduren abgeleitet. Das Ziel ist die Bestimmung von elastischen Konstanten, die als Eingangsparameter in der Bemessung dienen. Grundsätzlich wird zwischen Prozeduren für antiklastische und synklastische bzw. ebene Strukturen unterschieden. Beiden ist allerdings gemein, dass sie den “einge-spielten Zustand eines Gewebes” nutzen. Erst die Nutzung von elastischen Konstanten im eingespielten Zustand ermöglicht es, die Strukturberechnungen auf den nominellen Vorspannungszustand zu gründen. Beispielhafte Anwendungen der weiterentwickelten Prozeduren verdeutlichen, dass die Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Dehnungen auf einem zuvor für die Auswertung definierten Spannungshorizont durchweg klein sind. Dies zeigt eindrucksvoll, dass das linear-elastische Materialgesetz durchaus sehr geeignet ist, auch das Spannungs-Dehnungs-Verhalten aller typischen PVC-beschichteten Polyester- und PTFE-beschichteten Glasfasergewebe zu beschreiben.