Zum Dämpfungsverhalten viskoelastischer Klebverbindungen im Stahlbau

Baukonstruktionen sind häufig dynamischen Belastungen ausgesetzt. Hierdurch können Strukturschwingungen hervorgerufen werden, die sowohl die Tragfähigkeit als auch die Gebrauchstauglichkeit negativ beeinflussen. Aus diesem Grund müssen auftretende Schwingungsamplituden durch geeignete, dämpfende Maßnahmen begrenzt werden. Viskoelastische Klebstoffe auf Basis von Polyurethanen und Epoxidharzen bieten neben einer hohen Festigkeit sehr gute Dämpfungseigenschaften. Das Dämpfungsverhalten geklebter Stahlbauanschlüsse sowie deren Potential zur Dämpfung dynamisch beanspruchter Strukturen wurden allerdings bislang nicht ausreichend untersucht.
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In der vorliegenden Arbeit werden numerische und experimentelle Untersuchungen zum Dämpfungsverhalten geklebter Verbindungen unter Berücksichtigung spezifischer Anforderungen und Randbedingungen des Bauwesens beschrieben.
In numerischen Untersuchungen an Stahlbaustrukturen mit einem sowie mehreren geklebten Anschlüssen wird zunächst das Potential geklebter Anschlüsse zur Optimierung des dynamischen Verhaltens der untersuchten Strukturen aufgezeigt. Die Analysen verschiedener Schwingungsszenarien sowie des Einflusses von Geometrie- und Werkstoffparametern stehen im Fokus der Untersuchungen. Im Vergleich zu einem geschweißten Referenzsystem können auftretende Schwingungsamplituden durch die Implementierung geklebter Anschlüsse effektiv reduziert werden. Die Dämpfungseigenschaften geklebter Anschlüsse können zudem durch die Anpassung der Steifigkeit und der dissipativen Eigenschaften des Klebstoffs sowie der Geometrie der Klebfuge optimiert werden.
Einen wesentlichen Teil des originären Beitrags dieser Arbeit stellt die experimentelle Untersuchung der Dämpfungseigenschaften geklebter Überlapp- und Kreishohlprofilsteckverbindungen unter Variation von Geometrie- und Beanspruchungsrandbedingungen dar. Der Fokus der experimentellen Untersuchungen liegt auf Klebverbindungen mit schubbeanspruchten Klebschichten. Die ausgewählten Klebstoffe erfüllen die spezifischen Anforderungen des Bauwesens in Bezug auf die dynamisch-mechanischen Eigenschaften.
Die dynamischen Untersuchungen zeigen, dass die Dämpfungseigenschaften vorwiegend schubbeanspruchter Klebverbindungen von der Klebfugengeometrie (Klebschichtdicke, Überlapplänge) sowie der Höhe der Beanspruchung abhängen. Die Dämpfungseigenschaften geklebter Verbindungen hängen bei gleichen Geometrie- und Beanspruchungsrandbedingungen von der Art der Verbindung (Überlapp- bzw. Kreishohlprofilsteckverbindung) ab. Der Einfluss der Prüffrequenz auf die Dämpfungseigenschaften ist von untergeordneter Relevanz. Allerdings muss in Abhängigkeit der aufgebrachten Lastzyklen eine ermüdungsbedingte Schädigung der Klebschicht berücksichtigt werden. Die Untersuchungsergebnisse erfüllen jedoch die in dieser Arbeit definierten Anforderungen an die dissipativen Eigenschaften geklebter Verbindungen. Durch diese Multifunktionalität wird die Attraktivität des Fügeverfahrens Kleben weiter gesteigert.
Neben der experimentellen Datenbasis bildet die Entwicklung einer Methodik zur Identifikation funktionaler Zusammenhänge der Versuchsergebnisse mit Hilfe einer Dimensionsanalyse einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit. Es kann gezeigt werden, dass die Versuchsergebnisse getrennt für jeden Probekörpertyp durch das Auftragen über einem dimensionslosen Eingangsparameter in einem funktionalen Zusammenhang dargestellt werden können. Die identifizierten Zusammenhänge können durch Regressionsfunktionen mit einem Bestimmtheitsmaß R² > 0,95 approximiert werden. Damit können die Dämpfungseigenschaften im Rahmen definierter Gültigkeitsgrenzen für verschiedene Klebfugengeometrien und Beanspruchungsrandbedingungen ermittelt werden. Das bildet die Grundlage der analytischen Prognose der Dämpfungseigenschaften geklebter Anschlüsse im Rahmen der praktischen Auslegung von Stahlbaustrukturen.

Building structures are often exposed to dynamic loads. This can cause structural vibrations that have a negative impact on both the load-bearing capacity and the serviceability. For this reason, vibration amplitudes must be limited by suitable damping measures. Viscoelastic adhesives based on polyurethanes and epoxy resins offer good damping properties in addition to high strength. However, the damping behaviour of adhesively bonded structural steel connections and their potential for damping dynamically stressed structures have not been sufficiently investigated so far.
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In this dissertation, numerical and experimental investigations of the damping behaviour of adhesively bonded joints are described, taking into account specific requirements and boundary conditions of civil engineering.
In numerical investigations of steel structures with one and several adhesively bonded joints, the potential of adhesively bonded joints for optimising the dynamic behaviour of the investigated structures is first demonstrated. The analysis of different vibration scenarios and the influence of geometry and material parameters are the focus of the investigations. Compared to a welded reference system, vibration amplitudes can be effectively reduced by implementing adhesively bonded joints. The damping properties of adhesively bonded joints can also be optimised by adjusting the stiffness and dissipative properties of the adhesive and the geometry of the bonded joint.
An essential part of the original contribution of this work is the experimental investigation of the damping properties of bonded overlap and circular hollow section tubular joints under variation of geometry and stress boundary conditions. The focus of the experimental investigations is on bonded joints with adhesive layers subject to shear stress. The selected adhesives meet the specific requirements of the civil engineering sector in terms of dynamic-mechanical properties.
The dynamic investigations show that the damping properties of predominantly shear-stressed adhesively bonded joints depend on the geometry of the bonded joint (adhesive layer thickness, overlap length) as well as the level of stress.
The damping properties of adhesively bonded joints depend on the type of joint (overlap or circular hollow section joint) for the same geometry and stress boundary conditions. The influence of the test frequency on the damping properties is of minor relevance. However, depending on the applied load cycles, fatigue-related damage to the adhesive layer must be taken into account. However, the test results fulfil the requirements defined in this work for the dissipative properties of adhesively bonded joints. This multifunctionality further increases the attractiveness of adhesive bonding.
In addition to the experimental database, the development of a methodology for identifying functional relationships of the test results with the help of a dimensional analysis is another focus of this work. It can be shown that the test results can be represented in a functional relationship separately for each specimen type by plotting them over a dimensionless input parameter. The identified correlations can be approximated by regression functions with a coefficient of determination R² > 0.95. This allows the damping properties to be derived within defined limits of validity for different joint geometries and stress boundary conditions. This forms the basis of the analytical prediction of the damping properties of adhesively bonded joints in the context of the practical dimensioning of steel structures.