Strength deterioration of architectural fabrics under single and combined artificial weathering impacts
Nowadays, the application of coated fabrics as an architectural membrane material for lightweight structures is growing dramatically. Despite the fact that a lot of research has been carried out on the properties of these fabrics, yet broad assumptions are made in both material testing and modelling of the material behaviour. Under weathering, the degradation of these materials within the coating and its propagation to the fibres contributes to the loss of functional performance, mainly in terms of mechanical properties such as the tensile strength. The durability of the fabrics is also evaluated by the loss in mechanical performance. Till now, verified numbers for factors considering this strength reduction in the framework of either a national or an international standard are missing.
This thesis describes investigations into the uniaxial tensile strength deterioration of two common architectural coated woven fabrics, PET-PVC and glass-PTFE, exposed to various artificial weathering factors, alone or in combination. This survey is structured based on the combination of a review and original exploratory experimental research. The overview is required to provide the fundamental declaration of each layer of architectural fabrics' chemical compositions and their mechanisms of degradation under different weathering impacts.
The experimental investigation includes the evaluation of artificial ageing influences, first on PET reinforced PVC coated fabrics, and second on glass reinforced PTFE coated fabrics. The impact of water attack by two action mechanisms of chemical reactions and swelling-deswelling is assessed on the tensile strength deterioration. In this way, in-plane and out of plane water seepage and freeze-thaw cycles have been carried out to simulate the detrimental presence of humidity due to rain or snow in both normal and cold weathers. Furthermore, the uniaxial tensile strength sensitivity to different artificial weathering impacts has been determined. The chemical and physical changes of uncoated woven PET fabrics, as the load-bearing element of PET-PVC composite, have been traced by Fourier transform infrared spectroscopy and molecular weight measurements to construct a degradation pathway network model for estimation of possible degradation mechanisms.
The additional contribution of this thesis is the set of weathering-induced ageing modification factors derived from the artificial weathering test results in order to broaden the database in the frame of European design standardization.
Heutzutage nimmt die Anwendung von beschichteten Geweben als architektonisches Membranmaterial für Leichtbaukonstruktionen enorm zu. Trotz der Tatsache, dass viel über die Eigenschaften dieser Gewebe geforscht wurde, werden sowohl bei der Materialprüfung als auch bei der Modellierung des Materialverhaltens pauschale Annahmen getroffen. Unter Bewitterung trägt die Degradation dieser Materialien innerhalb der Beschichtung und ihre Ausbreitung auf die Fasern zum Verlust der funktionellen Leistung bei, hauptsächlich in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften wie die Zugfestigkeit. Die Haltbarkeit der Gewebe wird auch durch den Verlust an mechanischer Leistung bewertet. Bislang fehlen jedoch verifizierte Zahlen für Faktoren, die diese Festigkeitsminderung im Rahmen einer nationalen oder internationalen Norm berücksichtigen.
Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Abnahme der monoaxialen Zugfestigkeit von zwei gebräuchlichen architektonischen beschichteten Geweben, PET-PVC und Glas-PTFE, die verschiedenen künstlichen Bewitterungsfaktoren, allein oder in Kombination, ausgesetzt sind. Diese Untersuchung ist auf der Grundlage einer Kombination aus einer Literaturauswertung und -bewertung sowie einer experimentellen Grundlagenuntersuchung aufgebaut. Diese Übersicht dient der grundlegenden Erklärung der chemischen Zusammensetzungen der einzelnen Schichten von Architekturgeweben und ihrer Degradationsmechanismen unter verschiedenen Bewitterungseinflüssen.
Die experimentelle Untersuchung umfasst die Bewertung künstlicher Alterungseinflüsse an PET-verstärkten PVC-beschichteten Geweben und an glasverstärkten PTFE-beschichteten Geweben. Der Einfluss des Wasserangriffs durch die beiden Wirkmechanismen der chemischen Reaktionen und des Quellens-Abschwellens wird auf die Verschlechterung der Zugfestigkeit bewertet. Auf diese Weise sollen das Eindringen von Wasser in der Ebene und außerhalb der Ebene sowie Frost-Tau-Zyklen simuliert werden, um die nachteilige Anwesenheit von Feuchtigkeit durch Regen oder Schnee sowohl bei normalem als auch bei kaltem Wetter zu simulieren. Weiterhin wird die Empfindlichkeit der einachsigen Zugfestigkeit gegenüber verschiedenen künstlichen Bewitterungseinflüssen ermittelt. Die chemischen und physikalischen Veränderungen von unbeschichteten, gewebten PET-Geweben als tragendes Element des PET-PVC-Verbunds werden mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und Molekulargewichtsmessungen verfolgt, um ein Degradationspfad-Netzwerkmodell zur Abschätzung möglicher Degradationsmechanismen zu konstruieren.
Der zusätzliche Beitrag dieser Arbeit ist die Zusammenstellung von witterungsbedingten Alterungsmodifikationsfaktoren, die aus den Ergebnissen der künstlichen Bewitterungstests abgeleitet wurden, um die Datenbasis als Grundlage für die europäische Bemessungsnormung zu erweitern.