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30 thema FORSCHUNG 1/2006
Sandwich am BauJörg Lange/René Mertens
Sandwichplatten, bestehend aus zwei dün-nen, metallischen Deckblechen, die durcheinen leichten, schubweichen Kern mitein-ander verbunden sind, haben in den vergan-genen Jahren im Bauwesen ein großes Ein-satzfeld erobert. Durch den Verbund derDeckbleche mit der Kernschicht entstehteine hohe Steifigkeit. Trotz des geringenEigengewichts der Bauteile ist es möglich,mit ihnen erhebliche Lasten bei großenStützweiten abzutragen. Ein weiterer Vorteilist ihre sehr gute Wärmedämmung und diedamit verbundene Energieeinsparmöglich-keit. Sandwichelemente erlauben eineschnelle Bauausführung, da sie die Funktio-nen „Tragen“, „Dichten“ und „Dämmen“ ineinem Element vereinen und stellen somitein ideales Bauteil für die Dach- und Wand-bekleidung im Hochbau dar.
Sandwichpanels in Construction Sandwichpanels made of very thin metal faces and alightweight core gained a large share in thebuilding market within recent years. A goodadhesion between steel and core leads to astrong and stiff element. Despite the smallweight these structural members can carrylarge loads over long spans. Another advan-tage is their very good thermal insulationleading to saving of energy. Sandwich panelsallow a very fast erection because they uniteload carrying, sealing, and insulating. There-fore they are very good elements for buil-ding construction.
Bild 1: Industriefassaden mit Sandwichelementen (© Hammersen Element-bau, Osnabrück)
Industrial buildings usingsandwich panels
Das Bauteil
Die Deckbleche der Sandwichelemente bestehenmeist aus Stahl und sind in der Regel zwischen ca. 0,4und 1,0 mm dick. Als Kernwerkstoffe werden derzeitPolyurethanschaum, expandiertes bzw. extrudiertesPolystyrol oder Mineralwolle verwendet. Mit diesenWerkstoffen können Elemente mit bis zu 240 mmDicke hergestellt werden (Bilder 2 und 4), was großeSpannweiten ermöglicht und hervorragende Wärme-dämmeigenschaften ergibt. Für Fassadenelementemit besonders hohen Anforderungen an die Ebenheitwerden Waben aus Aluminium (sogenannte Honey-combs) eingesetzt. Phenolharzschäume und Schaum-glas sind weitere mögliche Kernmaterialien, die inSandwichelemente eingebaut werden können.
Tragverhalten
Die Tragfähigkeit eines Sandwichelements hängtstark vom guten Verbund der Deckschichten mit demKernmaterial ab. Stellt man sich vor, die Materialienseien nicht miteinander verbunden, so ist davon aus-zugehen, dass in diesem Zustand selbst das Eigenge-wicht nicht über größere Spannweiten abgetragenwerden kann (Bild 3 links). Verbindet man die einzel-nen Schichten jedoch untereinander, so ist es mög-lich, Lasten, z. B. aus Wind und Schnee auch übergroße Stützweiten in die Unterkonstruktion abzulei-ten (Bild 3 rechts).Sandwichelemente werden mit glatten, bzw. leichtprofilierten oder mit stark profilierten Deckblechenhergestellt (Bild 4). Während die leichte Profilierungprimär optische Gründe hat – kleine, herstellungs-oder transportbedingte Unebenheiten werden da-durch nicht so leicht sichtbar – folgt die starke Profi-lierung aus der Beanspruchung [Koschade 2000].Das Tragverhalten der nur leicht profilierten Sandwi-chelemente kann vereinfacht betrachtet werden. Eswird angenommen, dass die Biegesteifigkeit des Ele-ments allein von den Deckblechen bestimmt wird.Aufgrund der geringen Profilierung und der geringenDicke ist die Eigenbiegesteifigkeit der Deckblechegering gegenüber der Steifigkeit, die aus demAbstand der Schwerachsen resultiert. Die Eigenbiege-steifigkeit wird daher bei den Elementen vernachläs-sigt. Die Schubsteifigkeit wird über den Kern erzeugt.Der Kern ist allerdings so weich, dass bei der Ermitt-lung von Schnittgrößen und Verformungen dieSchubsteifigkeit, entgegen der im Bauwesen meistmöglichen Näherung, nicht vernachlässigt werdenkann. Darüber hinaus entzieht sich das Kernmaterialunter Belastung der Beanspruchung (Kriechen).
Daher müssen Sandwichelemente, die einer ständigwirkenden Belastung (bei Dachelementen z.B. dasEigengewicht) unterliegen, mit mindestens einer bie-gesteifen Deckschicht versehen sein. Nur dann istsichergestellt, dass ihre Verformungen nicht unend-lich groß werden, da sich die ständig wirkendenLastanteile in die profilierte Deckschicht umlagern.Nur die kurzzeitig wirkenden Beanspruchungen (z.B.Wind oder Schnee) werden dann noch über die Sand-wichwirkung abgetragen. Werden ständig wirkendeLasten (z.B. Photovoltaikanlagen, Klimageräte oderWerbetafeln) auf Sandwichelemente aufgesetzt, istdas Kriechverhalten des Elements zu berücksichtigen[Jungbluth 1986].Werden Bauteile auf Druck beansprucht, reagierensie durch ein Ausweichen aus der Belastungsebeneheraus. Dieses Ausweichen kann progressiv oderschlagartig erfolgen. Beide Versagensarten treten imSandwichbauteil auf. Die Biegung wird (bei ebenen Deckblechen) durchein Kräftepaar in den Deckschichten abgetragen. Esentsteht eine druck- und eine zugbeanspruchteSchicht. Während für die Zugbeanspruchung die Streckgren-ze maßgebend wird, versagt die gedrückte Schichtmeist unter einer geringeren Spannung. Dieses Versa-gen stellt sich als schlagartiges, kurzwelliges Beulendar und wird Knittern genannt. Es kann näherungs-weise als Verzweigungsproblem betrachtet werden.Das Deckblech besitzt nicht nur seine Eigenbiegestei-figkeit als Widerstand, sondern wird auch durch dieBettung auf dem Kern gestützt. Die Bettung wirdmaßgeblich von der Zug-und Drucksteifigkeit desKerns beeinflusst. Wei-terhin spielt die Qualität derKlebung zwischen Deck-blech und Kern eine wich-tige Rolle.
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Sandwich am Bau
Bild 3: Sandwichelement a) ohneVerbund b) mit Verbundder Deckschichten und demKernmaterial
Sandwich panel a) withoutadhesion b) activatingadhesion between metalfacing and core
Bild 4: Sandwichelemente mitleicht profilierten (links)und mit stark profiliertenDeckblechen (für Dach-elemente, rechts)
Lightly profiled sandwichpanel (left) and profile forroof covering (right)
Bild 2: Sandwichelement
Sandwich panel
Temperaturbelastung im Sandwichbau
Die Temperaturbelastung ist ein wesentlicher Lastfallim Sandwichbau. Das Sandwichbauteil besitzt einesehr gute Wärmedämmeigenschaft, wofür der inte-grierte Kern verantwortlich ist. Während auf deräußeren Deckschicht bei Sonneneinstrahlung bis zu80°C gemessen werden können, herrschen auf derinneren, raumzugewandten Deckschicht gleichzeitignur 25°C. Dieser große Temperaturunterschied er-zeugt in Elementen mit leicht profilierten Deck-schichten in statisch bestimmten Systemen keineSchnittgrößen, aber Krümmungen. Die Verbindungs-mittel an den Lagern müssen die daraus entstehen-den Verschiebungen aufnehmen können. Äußere
Die Druckspannung die zum Knittern führt, wirdKnitterspannung genannt und experimentellbestimmt, da die Berechnungsmethoden wegen derkomplexen Eigenschaften der üblichen Kernmateria-lien noch nicht genau genug sind und die Eingangs-parameter stark streuen [Lange/Böttcher 2005]. In„Einfeldträgerversuchen“ (Bild 5, siehe auch [ECCS2000 und prEN 14509, 2004]) wird die Knitterspan-nung des Deckbleches ermittelt. Die Last wird bei die-sem Experiment über vier Einzellasten so einge-bracht, dass die Momenten- und Querkraftlinien ähn-lich dem Verlauf bei einer Beanspruchung durch eineGleichflächenlast sind. Die Beanspruchung kannauch durch ein Vakuum unter dem Element oderLuftkissen aufgebracht werden.
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Bild 5: Einfeldträgerversuch: Versuchsaufbau (links), Versagen durch Knitterndes oberen Deckblechs(rechts)
Test on simply supportedpanel (left), failure due towrinkling (right)
Feuerwiderstandsklasse mit Pentan getriebenen Sandwichelementen für Dach und Fassade erreicht!Fischer Profil in Netphen-Deuz ist das erste Unternehmen der Branche, das mit einem Pentan getriebenem Sandwichwandelement eineFeuerwiderstandsklasse erzielt hat.
Um bei einem Gebäude die Einstufung in feuerhemmend mit F30 (bei nichttragenden Aussenwänden auch W30) zu erfüllen, musste man bishereinen aufwendigen Wandaufbau oder Sandwichelemente mit Mineralwolle wählen.
Die neuen FischerFIREPROOF- Sandwichelemente werden jedoch mit einem Pentan getriebenen Schaumsystem hergestellt und sind dadurchum einiges leichter. Leichter im Gewicht (bis zu 30% Gewichtsersparnis gegenüber Mineralfaserelementen) und leichter in der Montage. Dadurchauch schneller und kostengünstiger für die Weiterverarbeiter (Verleger) zu verbauen.
Bisher war es nur möglich, bei Pentan getriebenen Sandwichwandelementen das Brandverhalten als Baustoff zu prüfen. Maximal war dabei dieBaustoffklasse B1 (schwerentflammbar) nach DIN 4102-1 zu erreichen.
Feuerwiderstandsklassen waren bisher nur mit metallischen Bausystemen mit Wärmedämmungen aus Mineralfasern möglich.
Die intensive Entwicklungsarbeit von Fischer Profil und Bayer MaterialScience hat es jetzt ermöglicht, mit dem Schaumsystem "Baymer /Desmodur", als tragendes Dach die Klassifizierungskriterien von REI30 und als Vorhangfassade die Kriterien von EI30 nach DIN EN 13501-2 zuerfüllen.
Die Herleitung des Kurzzeichens "R" ist Résistance = Tragfähigkeit.
Das Kurzzeichen "E" bedeutet Étanchéité = Raumabschluss. Es wird geprüft, ob Abschlüsse während einer geforderten Zeit (E30 = 30 min) denRaumabschluss gewährleisten (kein Durchgang von Feuer und Rauch). Auf der dem Feuer abgekehrten Seite dürfen keine Flammen auftreten.
Die Klassifizierung "I" bedeutet Isolation = Wärmedämmung (unter Brandeinwirkung). Die Abschlüsse der Klasse EI30 müssen zusätzlich zumRaumabschluss (analog E 30) den Durchgang der Wärmestrahlung während der geforderten Zeitdauer verhindern. Dabei darf sich dieTemperatur auf der dem Feuer abgekehrten Oberfläche während der Versuchsdauer im Mittel um nicht mehr als 140°C erhöhen.
Die DIN EN 13501-2-2:2003 (Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten-Teil 2: Klassifizierung mit den Ergebnissenaus den Feuerwiderstandsprüfungen) wird die bisher noch gültige DIN 4102-2:1977-09 (Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen- Bauteile-Begriffe, Anforderungen und Prüfungen) ablösen.
Die neuen FischerFIREPROOF- Sandwichelemente erzielten bei dieser Prüfung im Dach und in der Fassade die Einstufung in "feuerhemmend".
Damit wurden die positiven Merkmale von FischerTHERM Sandwichelementen wie:hervorragende Wärmedämmung, hohe Fugendichtheit durch DUO -Dichtung, geringes Gewicht, einfache Montierbarkeit, keine Wasseraufnahmeum die Erzielung der bauaufsichtlichen Anforderung "feuerhemmend" erweitert.
Weitere Informationen erhalten Sie beiFischer Profil GmbH ● Marketing ● Waldstraße 67 ● 57250 NetphenTel.: 0 27 37 / 5 08 - 206 ● Fax: 0 27 37 / 5 08 - 49 206 ● E-Mail: [email protected]
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Literatur
ECCS- und CIB-Empfehlungen, European Recommendations forSandwich Panels, Brüssel, Oktober 2000
Jungbluth, Otto: Verbund- und Sandwichtragwerke. Springer,Berlin, Heidelberg 1986
Koschade, Rolf: Die Sandwichbauweise. Ernst & Sohn, Berlin 2000
Lange, Jörg; Böttcher, Marc: Analyse des Tragverhaltens von Sand-wichelementen mit Öffnungen
DGM Tagung „Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde“, Kassel2005
prEN 14509, Selbsttragende Sandwich-Elemente mit beidseitigenMetalldeckschichten – werksmäßig hergestellte Produkte –Spezifikationen. DIN, Berlin, Oktober 2004
Bild 7: Knitterfalte infolge Delamination der gedrückten oberen Deckschicht
Buckling of compressed top facing due to delamination
Bereich unter dem Prüfkörper, ein 4,00 m langes und1,00 m breites Sandwichelement mit einer Nenndickevon 50 mm, ist wärmeisoliert. Wird die Klimakammeraufgeheizt, so erhöht sich die Temperatur der oberenDeckschicht. Die Temperatur der unteren Deck-schicht bleibt nahezu konstant. Somit entsteht diegewünschte Temperaturdifferenz. Bei einer 2-Feld-Lagerung des Prüfelements entstehen an der Mittel-unterstützung die maximalen Schnittgrößen (Bild 6).Bei einer Temperaturdifferenz von ca. 65-70 K versa-gen die bisher eingesetzten Sandwichelemente mitebenen Deckschichten. Es entsteht eine Knitterfalteim oberen Deckblech im Bereich der Mittelunterstüt-zung. Mit der Entwicklung, Auswertung und Inter-pretation dieser Versuche beschäftigt sich eine zurZeit laufende Dissertation an unserem Institut.
Delamination bei Sandwichelementen
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt betrifft die De-lamination der Deckschichten von Sandwichelemen-ten. Bereits bei ebenen Sandwichelementen kann esinfolge Imperfektionen lokal zu leicht gekrümmtenDeckschichten kommen, was bei schlechter Haftungzu Knitterversagen mit Delamination führt (Bild 7).Sind die Sandwichelemente planmäßig gekrümmt,was im Fassaden- und Dachbau (Tonnendach) zuneh-mend vorkommt, so entstehen großflächig Spannun-gen, die das Ablösen der gezogenen Deckschicht ver-ursachen können, eine Versagensart, die dem Sand-wichbau bisher völlig fremd ist. Auch beim Versagender gedrückten Deckschichten ist wegen der krüm-mungsbedingten Abtriebskräfte ein früheres Eintre-ten des Knitterns zu erwarten. Derzeit wird die Dela-mination der gezogenen Deckschichten untersucht,da weder verallgemeinerbare experimentelle Ergeb-nisse vorliegen, noch allgemeingültige Ansätze füreine Berechnung nach der FEM existieren.
Bild 6: Superposition der LastfälleWindsog und ∆T
Superposition of wind andtemperature gradient
Schnittgrößen entstehen jedoch bei statisch unbe-stimmten Systemen. Die Spannungen aus dem Last-fall Temperatur erreichen im Zweifeld-System mehrals doppelt so große Werte wie der Lastfall Windsog!Die Spannungen aus Temperatur treten zusätzlich anungünstiger Stelle im Sandwichelement auf. Aus demLastfall „Temperatur im Sommer“ am Zweifeld-System resultieren Zugkräfte in den Schrauben amMittelauflager und es werden Druckspannungen imäußeren Deckblech erzeugt.Um das Verhalten des Bauteils im Temperaturlastfallbesser beurteilen zu können, werden derzeit amFachgebiet Stahlbau Sandwichelemente getestet,denen äußerlich eine Temperaturdifferenz aufge-zwungen wird. Der Versuchstand für diese Versuchebefindet sich im Innern einer Klimakammer. Der
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Prof. Dr.-Ing. Jörg Lange ist Leiter, Dipl.-Ing. René Mertens ist Wissenschaftli-cher Mitarbeiter des Fachgebiets Stahlbau im Fachbereich Bauingenieur-wesen und Geodäsie an der TU Darmstadt. Neben klassischen Fragen deskonstruktiven Stahlbaus (Verbindungen, Stabilität) stehen die Themen Stahl-leichtbau (inkl. Sandwichelemente) und Brandschutz im Zentrum der For-schung. Prof. Lange ist u.a.Vorsitzender des Arbeitsausschusses „Cold-ormed thin-walled sheet steel in buildings“ der Europäischen Konvention für Stahlbau und Vorsitzender des DIN-Spiegelausschusses zur EN 14509„Sandwichelemente“.Das Fachgebiet verfügt über ein Labor, in dem statische und dynamischeVersuche an Bauwerkskomponenten vorgenommen werden. Hierbei könnenEinzelbeanspruchungen bis zu 5000 kN aufgebracht werden.Weiterhin können in einer Klimakammer Bauteile Temperatur- und Feuchtewechselnausgesetzt werden.
Anschrift:Institut für Stahlbau und WerkstoffmechanikPetersenstraße 12 • 64287 DarmstadtTelefon: 06151/16-2145 • Telefax: 06151/16-3245www.stahlbau.tu-darmstadt.de
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