Bachelorarbeit Daniel Schärer

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Diplomand
Daniel Schärer
Dozent
Klaus Kreher, Prof. Dr.
Experte
Thomas Walter, Dipl. Ing.
Disziplin
Fassaden- und Metallbau
Jahr
2011
Transparentes, tragendes Glas statt störende Windverbände
Einsatz grossflächiger Verglasungen als Horizontalaussteifung für externe Aufzugsschächte
Die Kreuzverbände aus Blechprofilen an einer Aufzugsschachtkonstruktion wirken meist störend. Gesucht wird daher nach alternativen Horizontalaussteifungen, die die Transparenz eines Aufzuges aus Glas erhöhen. Statisch tragendes Glas, verklebt mit der Rahmenkonstruktion, kann eine solche Alternative sein.

Ähnliche Arbeiten zu diesem Thema zeigten die Leistungsfähigkeit eines einzelnen Schubfeldes einer Glasscheibe bereits auf. Im konkreten Beispiel des externen Aufzugschachts lag die Herausforderung vor allem bei den strengen Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit.
Verstärkt wurde diese Problematik zusätzlich durch das ungünstige statische System. Durch die serielle Schaltung der einzelnen Schubfelder erfolgt in den Randbereichen eine Kumulation der Querkräfte. Diese hohen Querkräfte verursachen nicht nur grosse Deformationen in der Gesamtkonstruktion, sondern auch grosse Spannungen in der Verklebung. Da ausserdem in den Schubfeldern die vorgeschriebenen Grenzwerte unter Wind- und Betriebslast nicht überall eingehalten waren, mussten zusätzliche Aussteifungsmöglichkeiten ermittelt, geprüft und aktiviert werden. Die Verglasung stellte sich aber unter einer kontinuierlichen Lasteinleitung als unkritisch heraus.

Lösungskonzept
Für den Anschluss der Glasscheibe an die Rahmenkonstruktion kam aus technischen Erwägungen vor allem die Verklebung infrage. Eine Kombination aus Verklotzung und Verklebung wurde – auf Empfehlung der Sika AG – verworfen.
Anhand zweier verschiedener Berechungsverfahren wurde eine geeignete Geometrie für die Verklebung entwickelt. Dabei wurden diverse Klebegeometrien mit unterschiedlichen Materialkennwerten überprüft. Zusätzlich mussten auch alternative Arten der Aussteifung unabhängig von den Schubfeldern detaillierter betrachtet werden. So zum Beispiel die Erhöhung der Dehnsteifigkeiten der Pfostenprofile – was jedoch keine wirtschaftlich zufriedenstellenden Resultate hervorbrachte –, die biegesteife Ausführung der Riegelprofile in der Schubfeldebene analog einem Vierendeelträger – was ebenfalls nicht effektiv war – und schliesslich die Aktivierung der Riegelrahmenwirkung senkrecht zur Schubfeldebene. Dadurch ergeben sich zusätzliche Federlager, die Querkräfte aufnehmen. Generell unterscheidet sich das Tragverhalten der Schubfelder massiv von demjenigen des ursprünglichen Fachwerks.

Numerische Berechnung
Die Struktur wurde numerisch mittels Stabwerkmodell, ähnlich einer früheren Arbeit zum Thema Gebäudeaussteifung, berechnet. Die Verklebung und Verklotzung waren dabei durch Pendelstäbe mit definierten Dehnsteifigkeiten zwischen Rahmen und Verglasung abgebildet.
Mit diesem Modell ist es unter anderem möglich, gemittelte Werte der Klebstoffspannungen zu erhalten. Ein grosser Nachteil hingegen ist, dass das Stabwerkmodell aus Tausenden von Stäben besteht. Dadurch wird es aufwendig, die Randbedingungen zu variieren.

Analytische Berechnung
Die Struktur wurde auch analytisch mit dem verallgemeinerten Federmodell nach Hochhauser berechnet. Dabei handelt es sich vereinfacht um eine Verbundträgerberechnung, mit der die Ersatzschubsteifigkeit der Schubfelder berechnet wird. Sind alle nötigen Ersatzquerschnittswerte ermittelt, ist es möglich, die Nachweise der Gebrauchstauglichkeit an einem vereinfachten System zu führen. Hierbei spielt die Ersatzbiegesteifigkeit eine untergeordnete Rolle.
Das analytische Modell ist hilfreich, die Tragweise und das Verformungsverhalten der Schubfelder zu verstehen. Zudem lassen sich Randbedingungen einfach variieren, um beispielsweise die Einflüsse verschiedener Komponenten auf das System aufzuzeigen.
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