Numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Hohlprofilfachwerkstrukturen mit geklebten Strebenanschlüssen

Hohlprofilfachwerkstrukturen werden bei Dachtragwerken, Brückenbauwerken und als Tragstrukturen von Windenergieanlagen eingesetzt. Die wesentlichen Gründe für den Einsatz sind die konstruktiven sowie die gestalterischen Vorteile. Allerdings sind die Fertigung und die Montage mit einem hohen Zeitaufwand verbunden, der maßgeblich durch die Fertigung der geschweißten Knotenpunkte bestimmt wird. Das Forschungsprojekt, in welches sich die-se Arbeit thematisch eingliedert, hat das Ziel, die Fertigung und die Montage durch den Ein-satz der Klebtechnik in Form geklebter Strebenanschlüsse zu optimieren.
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Hierfür wird zunächst ein vollständiges numerisches Berechnungsmodell der Jacket-Fachwerkstruktur erstellt und mit den zugehörigen mechanischen Randbedingungen verse-hen. Maßgebend verantwortlich für die Strukturbeanspruchung sind die Belastungen aus Wellenanprall, die anhand einer Diskussion der zur Verfügung stehenden Wellentheorien ermittelt werden.
Die erforderlichen Klebstoffeigenschaften werden durch eine numerische Voruntersuchung bestimmt. Hierzu werden Berechnungen mit überschlägig abgeschätzten Klebstoffeigen-schaften durchgeführt. Anhand der Ergebnisse können benötigte Klebstoffeigenschaften defi-niert werden, die die Grundlage für die Auswahl kommerziell verfügbarer Klebstoffe bilden.
Den Hauptteil der vorliegenden Arbeit bildet eine umfassende numerische Analyse der Tragfähigkeit der Jacket-Fachwerkstruktur für verschiedene Lastkonfigurationen unter Verwendung realer Werkstoffparameter. Im Rahmen einer Parameterstudie wird der Ein-fluss unterschiedlicher Parameter auf die Beanspruchungszustände in den maximal belaste-ten Klebschichten untersucht. Auf Grundlage der Ergebnisse der numerischen Analyse und der Parameterstudie werden fundierte Ausführungsempfehlungen für die Konstruktion von geklebten Strebenanschlüssen erarbeitet.
Neben der numerischen Untersuchung der Tragfähigkeit der geklebten Strebenanschlüsse soll diese zusätzlich experimentell bestimmt werden. Hierzu wird ein Versuchsstand konzi-piert und berechnet, mit dem Bauteilversuche an fachwerkartigen Rohrprobekörpern durch-geführt werden können. Dabei wird ein Versagen der Klebschicht der Rohrprobekörper unter einem realitätsnahen Beanspruchungszustand angestrebt. Ziel ist die numerische Analyse der Klebschichtbeanspruchung im Versuchsstand sowie ein Vergleich mit den Ergebnissen der numerischen Analyse der Gesamtstruktur unter Verwendung realer Werkstoffgesetze. Zuerst werden deshalb verschiedene konzeptionelle Entwürfe untersucht, die Erkenntnisse über das erforderliche statische System des Versuchsstands liefern. Ausgehend von diesen Erkennt-nissen wird ein prüffähiger Versuchsstand entwickelt und berechnet. Der erzeugte Beanspru-chungszustand der Klebschicht im Versuchsstand wird mit dem Beanspruchungszustand der Jacket-Fachwerkstruktur verglichen und hinsichtlich der vorhandenen Übereinstimmung bewertet.

Hollow section framework structures are applied in building constructions, bridge construc-tions and wind energy plant constructions. The main reasons for the application are the con-structive and design-related advantages. However, the assembly of the supporting structure is time and work-intensive and mainly determined by the welding of the joint connections. The research project, this master thesis is based on, aims to optimize the assembly and the fabrication of the whole construction using intelligent application of adhesive bonding tech-nology for adhesively bonded joints.
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First of all, a complete numerical model of the jacket framework structure with realistic me-chanical boundary conditions is created. Mainly responsible for the structure stress are the external loads caused by wave impacts. These wave impact loads are discussed and calculat-ed in consideration of commonly available wave theories.
Desired properties of the adhesives to be used are defined in a preliminary numerical exami-nation. Therefore, a numerical calculation using estimated mechanical properties of the adhe-sives is implemented. The results of this numerical calculation are used to define the desired properties of adhesives, and furthermore, to select commercially available adhesives fulfilling the defined requirements.
The main part of this master thesis is the comprehensive numerical analysis of the load ca-pacity of the jacket framework structure using different load configurations and realistic ma-terial properties. The influence of different parameters concerning the stress distribution for the decisive bonding layer is evaluated in a parameter study. Based on the calculation results of the numerical analysis and the parameter study, consolidated designs for the construction of the adhesively bonded joints are recommended.
In addition to the numerical analysis, the load capacity of the adhesively bonded joints should be determined by experiment. Therefore, a testing device is designed and calculated to test hollow section samples with adhesively bonded joints. The failure of the bonding layer should occur due to a realistic stress distribution. The purpose is the numerical examination of the stress distribution created by the testing device and the comparison to the results of the nu-merical analysis using real material behaviors. At first, conceptual designs are examined to gain conclusions about the required static system of the testing device. Based on these con-clusions, a suitable testing device is designed and calculated. The stress distribution of the bonding layer generated by the testing device is compared to the stress distribution of the bonding layer of the jacket framework structure. The results of this comparison are evaluated with regard to the consensus of the stress distributions.