Zur Bemessung von SL-belasteten Anschlüssen im konstruktiven Glasbau

Baitinger, Mascha; Feldmann, Markus

doi:910015800

Zur Bemessung von SL-belasteten Anschlüssen im konstruktiven Glasbau = Contribution to the design of lapped glass joints with bolts in bearing

Baitinger, Mascha (Author)

2009

VerantwortlichkeitsangabeMascha Baitinger, geb. Pilsl

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

Umfang228, XVIII S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Feldmann, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-11-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31101
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51406/files/Baitinger_Mascha.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau und Institut für Stahlbau (311710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flächentragwerk (Genormte SW) ; Lochleibung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Konstruktiver Glasbau (frei) ; Anschlüsse (frei) ; Bemessung (frei) ; glass structures (frei) ; joints (frei) ; bolts in bearing (frei) ; design (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei Entwurf und Bemessung von tragenden Ganzglaskonstruktionen spielt die Verbindungstechnik eine entscheidende Rolle. Denn dort, wo Glasscheiben z.B. punktförmig gehalten werden, entstehen im Bereich der Bohrungen Spannungsspitzen, die, sofern keine weiteren konstruktiven Maßnahmen ergriffen werden, aufgrund des spröden Werkstoffverhaltens nicht abgebaut oder umgelagert werden und somit plötzlichen Bruch verursachen können. Dies gilt auch für Scher-Lochleibungsverbindungen des konstruktiven Glasbaus, bei denen deswegen die Bolzenlasten über eine duktile, lastverteilende Zwischenschicht auf die Bohrungswandung des Glases wirken. Jedoch fehlen bis heute Bemessungsregeln, die eine sichere Vorhersage der aufnehmbaren SL-Belastung, vor dem Hintergrund der Streuungen und Imperfektionen des sich spröd verhaltenden Materials und der Fertigung, nicht nur für eine Einzellochverbindung sondern auch für Mehrlochverbindungen unter kombinierter Beanspruchung aus Moment, Normalkraft und Querkraft erlauben. Der Aufgabe, solche Bemessungsregeln abzuleiten, widmet sich diese Arbeit. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte analytische Berechnungsverfahren baut auf der AIRY’schen Spannungsfunktion auf, indem lokale Beanspruchungen der lochgebohrten Scheibe infolge Lochleibungsdrucks mit Beanspruchungen im Nettoquerschnitt überlagert werden und für beide Anteile eine Lösung für die AIRY’sche Spannungsfunktion gefunden wird. Die Lösungen lassen beliebige Randbedingungen zu und ermöglichen durch Rückwärtszusammensetzen der ermittelten Spannungsanteile die Ermittlung des Spannungs-Dehnungs-Zustands eines beliebigen Lochbildes bei elastisch isotropem Materialverhalten in Abhängigkeit des Lochleibungsdrucks, der Scheibendicke, des Bohrungsdurchmessers und einer sich aus dem Entwurf des Anschluss ergebenden maßgebenden Breite. Es gelang, anschließend die Analytik in einfache Bemessungsgleichungen zu überführen, bei deren Anwendung die maßgebenden Spannungen des Glasbauteils in Abhängigkeit der an der Einzelbohrung angreifenden Bemessungsbolzenlast, des Bohrungsdurchmessers und der Scheibendicke ermittelt werden kann. Einzeleinflüsse, die sich einerseits aus Montage- und Herstelltoleranzen sowie aus Entwurfsparametern ergeben, wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals systematisch mithilfe von Finite-Elemente-Berechnungen untersucht und konnten zahlenmäßig so erfasst werden, dass sie in Form von Beiwerten in die vorgeschlagene Bemessungsformel einfließen können. Die maßgebende Bolzenlast ist dabei unter Berücksichtigung der ungleichförmigen Schubkraftverteilung über die Verbindungslänge zu ermitteln. Um eine ausreichende Traglast der gesamten Konstruktion sicherzustellen, bedarf es ergänzend zum Nachweis der Glasbauteile der Bemessung des Vergussmörtels. Hierzu wurden theoretische Untersuchungen durchgeführt, durch die der Einfluss wichtiger Entwurfsparameter bzw. Einflussfaktoren aus Montage- und Herstelltoleranzen auf die Beanspruchung des Zwischenmaterials erfasst werden konnte. Diese dienen als Grundlage zur Bemessung des Vergussmörtels in Abhängigkeit von Bolzenlast, Bohrungsdurchmesser und Scheibendicke. Dabei wird auf der Materialwiderstandsseite auf die im Rahmen weiterer Forschungs- und Untersuchungsarbeiten dargestellten Materialkennwerte zurückgegriffen. Die theoretischen Untersuchungen wurden durch zahlreiche Bauteilversuche unter statischen Lasten und unter Gebrauchslastzyklen abgesichert. Analog zu den rechnerischen Untersuchungen wurden hierfür sowohl Normalkraftanschlüsse als auch Querkraft-Momenten-Anschlüsse experimentell untersucht. Ergebnis der Experimente ist nicht nur, dass die über DMS-Messungen und Bruchbildanalysen ermittelten Spannungsverteilungen der Probekörper die rechnerisch ermittelten Spannungsverläufe bestätigen, sondern es konnte auch die im Vergleich zur Plattenbeanspruchung geringere Spannungsausnutzbarkeit bei Lochleibungsbelastung nachgewiesen werden. Schlussendlich werden Teilsicherheitsbeiwerte abgeleitet und Vorschläge hinsichtlich einer normativen Regelung präsentiert.

For the design of glass structures the connection method is of great importance since the relevant stresses of point-fixed glass occur in the ultimate vicinity of the holes. If no further constructive means are provided, these stress peaks cannot be dissipated with subsequent glass breakage. This phenomenon also applies for in plane glass connections with bolts in bearing, where bolt forces act on the glass through ductile interlayers (mortar) that are placed between the glass and the steel bolt. However, until today, there are no construction standards for connections with only one bolt as well as for connections with several bolts under combined sectional forces and moments. Furthermore, imperfections, tolerances, brittle behaviour and scattering of the material properties have to be considered. This thesis addresses developing an engineering model for lapped glass joints with bolts in bearing and the derivation of rules for the design. Based on the stress function of Airy an analytical calculation method could be developed, in which local bearing stresses under bolt loading are superposed by net section stresses. Both stress states can be described by stress functions. Thus any bearing condition is addressable. By means of reverse composition of the two stress fractions the stress-strain-state of panes consisting of elastic-isotropic materials with arbitrary hole pattern under any boundary condition can be determined depending on the bolt load, the pane thickness, the hole diameter and the relevant width resulting from the joint geometry. Further the analytical solution could be reduced to a simple design equation, which enables the determination of the relevant stresses depending on bolt forces acting on the single hole, the diameter of the hole and the glass thickness. Thereby also the influence of the erection and fabrication tolerances as well as design parameters had to be systematically examined by Finite Element calculations that had been performed so far for the first time. The effects could be numerically discovered and coefficients for the design equation could be derived. Also a non uniform bolt force distribution has to be taken into account for long bolt rows parallel to the force direction. To ensure a sufficient load bearing capacity of the entire detail, the interlayer material cannot be neglected. Therefore, theoretical examinations were performed. The effect of erection and fabrication tolerances as well as geometrical parameters on the stresses in the mortar could be determined. The results serve as an approach for the verification of the interlayer against the bolt forces, the diameter of the hole and the glass thickness. The definition of the material resistance bases on former research results and examinations. All theoretical studies were verified by numerous experimental tests under monotony loading after prior cyclic service loading. In analogy to the analysis, the tests have been realised for joints under normal forces as well as under combined shear forces and moments. The stress-strain-distributions, which were determined by strain gauges and the analysis of the fracture pattern coincide with the theoretical results. Finally, it was shown that effective resistant stresses governing the load bearing capacity of bolted connections under in plane loading is lower compared to those effective resistant stresses that control failure in case of plate loading. The thesis closes with derivations for partial safety factors and proposals for the codification.

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