Charakterisierung und Modellierung des nichtlinearen Materialverhaltens von beschichteten Geweben für Membranstrukturen im Bauwesen II : Abschlussbericht
Das zentrale Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Genauigkeit der Finite Elemente (FE) Simulation von Textilmembranen signifikant zu steigern, um damit Schadenfreiheit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Membranbauwerken zu verbessern. Zentrales Augenmerk galt der Praktikabilität der entwickelten Simulationsmethoden in der Ingenieurspraxis, sowie der ökonomischen Durchführbarkeit der hierfür erforderlichen experimentellen Analysen. Die Analyse und Modellierung des eingespielten, elastischen Verhaltens sowie Lastgeschichtsabhängigkeiten der Spannungs-Dehnungspfade standen dabei im Vordergrund. Es zeigte sich, dass deutlich mehr Lastzyklen erforderlich sind, um den eingespielten Zustand in guter Näherung zu erreichen, als in der Praxis üblicherweise untersucht werden. Nicht gänzlich vernachlässigbare Lastgeschichtsabhängigkeiten und der damit verbundene Einfluss auf das Strukturverhalten wurden ebenfalls gezeigt. Zur Optimierung der Materialmodellierung wurden für das eingeschwungene elastische Verhalten ein polykonvexes hyperelastisches Materialmodell sowie eine adaptive, spannungsverhältnisabhängige Methode entwickelt, die große Verbesserungen des in der Praxis weit verbreiteten rein linear elastischen Materialmodells gezeigt haben. Darüber hinaus wurde ein anisotropes visko-elastoplastisches Stoffgesetz entwickelt, welches die Spannungs-Dehnungshysteresen beschreiben kann. Parallel zur Entwicklung der Materialmodelle waren Methoden für deren Parameterbestimmung einschl. eines neuartigen kleinskaligen Versuchsstands sowie die grundsätzliche Quantifizierung der Eigenschaften wichtige Inhalte des Projekts. Dabei hat sich gezeigt, dass die Berücksichtigung der Spannungsverhältnisabhängigkeit und der Gebrauchsspannungshöhe einen deutlichen positiven Einfluss auf den Fit der Steifigkeitsparameter in allen Materialmodellen hat. Die Steifigkeit ist außerdem mit der Zugfestigkeit korreliert. Steifigkeitskennwerte egal welchen Materialmodells lassen sich anhand der Zugfestigkeit klassifizieren. Zur Berücksichtigung des elastischen Zustands ohne experimentelle Untersuchung tausender Lastzyklen wurde eine Extrapolationsmethode entwickelt, die es ermöglicht die Steifigkeitsparameter der verschiedenen Materialmodelle in guter Näherung aus Biaxversuchen mit nur 20 Lastzyklen abzuschätzen. Um die entwickelten Modellierungsansätze bzw. Methoden zur Parameterbestimmung zu validieren, wurde ein neuartiger groß-skaliger Membranbauteilversuchsstand entwickelt und gebaut. Er ermöglicht die Messung vorgespannter ebener oder räumlich gekrümmter Membranstrukturen unter wechselnden Flächenlasten und bietet damit Referenzdaten für vergleichende FE Simulationen.
The central goal of this research project was to significantly increase the accuracy of the finite element (FE) simulation of textile membranes to improve the structural stability, safety and cost-effectiveness of membrane structures. Focus was on the practicability of the improved simulation methods in engineering practice, as well as the economic feasibility of the experimental analyses required for this. Another focus was on analyzing the well-established elastic behaviour and the load history dependencies of the stress-strain paths. It was found that significantly more load cycles are required to achieve a good approximation of the elastic state than is usually investigated in practice. Not entirely negligible load history dependencies and the associated influence on the structural behaviour were also demonstrated and analysed. To optimise the material modelling, a polyconvex hyperelastic material model and an adaptive, stress-ratio-dependent method were developed for the steady-state elastic behaviour, which have shown great improvements of the purely linear elastic material model widely used in practice. In addition, an anisotropic visco-elastoplastic material law was developed and implemented, which was shown to describe the stress-strain hysteresis. Parallel to the development of the material models, the focus was on methods for determining their parameters, including a new type of small-scale test rig, and the quantification of the properties. It has been shown that the consideration of the stress ratio dependence and the service stress level has a clear positive influence on the fit of the stiffness parameters in all material models. Stiffness was also found positively correlated with tensile strength. Stiffness parameters can be classified based on tensile strength regardless of the material model. An extrapolation method was developed to consider the elastic state without testing thousands of load cycles, which allows the estimation of stiffness parameters in a good approximation with only 20 load cycles. To validate the developed material modelling approaches and methods for parameter identification, a new type of large-scale membrane component test rig was developed and built. It enables the measurement of prestressed flat or spatially curved membrane structures under varying surface loads and thus provides reference data for comparative FE simulations.