II. Ergebnisse
1.1. Wissenschaftliche Recherche und Anforderungsspezifikation zur Untersuchung der Lastfälle und
Im Zuge der Projektentwicklung und der Entwicklung und Konzeption der Versuchsaufbauten (siehe auch Ausführungen zum Arbeitspaket 3) wurden die wissenschaftlichen Recherchen, hier vor allem auch auf dem Gebiet mess- und auswertungstechnischer Fragestellungen, erweitert und vertieft. Beispielsweise sind hier die Gebiete der Messtechnik im Bereich der Sensorik zu nennen, wie etwa deren Funktionsweise und deren projektspezifischen Anwendungsmöglichkeiten und Einsatz auf dem Stand der Technik.
Bei die durch 2D-Messung ermittelten Gewebeeigenschaften, bei denen die
Starrköperverschiebung und Rotation bisher unzureichend berücksichtigt werden, sind gewonnene Recherche- und Forschungserkenntnisse zur spezifischen Transformation auf dem aktuellen Stand in die Entwicklung der Versuchsaufbauten mit eingeflossen.
Gemeinsam mit dem Projektpartner technet sind die derzeit aktuellen theoretischen Ansätze für die Modellierung von Membranstrukturen und geschlossenen Luftvolumina analysiert worden.
Anhand von Modellierungs- und Berechnungsarbeiten der technet konnten wichtige
Eingangsparameter als Grundlage für die messtechnischen Erfordernisse festgelegt werden. In gemeinsamen Projekttreffen ist die Bewertung und Zusammenführung der Ergebnisse diskutiert und vollzogen worden.
Gemeinsam mit dem Projektpartnern fanden auch eine Besichtigung und Diskussionen mit
Betreibern auf deren Biogasanlagen statt, um sich über praxisnahe Entwicklungen auf dem Gebiet des Biogasanlagenbaus zu informieren und sich mit aktuellen Problemstellungen der
Anlagenbetreiber zu befassen und auseinanderzusetzten. Hier sind beispielsweise die Entwicklungspotentiale und Möglichkeiten von Automatisierungen der Luftzufuhr des Stützluftraums zu nennen. Die in den Gesprächen gewonnen Erkenntnisse können ggf. in zukünftige Projektentwicklungen miteingebunden werden.
Bild 1 | Gemeinsame Besichtigung einer Biogasanlage Quelle KIT_IEB-FGB
1.2. Konzeption und Auslegung der membranbezogenen Anlagenkomponenten | AP 2.1 Innerhalb dieses Arbeitsmoduls wird die Realisierung einer Modell-Biogasspeicheranlage im Maßstab 1:1 zur experimentellen Untersuchung der projektrelevanten Themenkomplexe verfolgt.
In enger Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Seybold wurde die ausführungsreife Planung der Versuchsanlage vollständig realisiert.
Die Unterstützung bei der technischen Planung der Versuchsanlage, wie z.B. die Bemessung der Fundamente, die Auslegung des Stahlzylinders sowie erforderliche Nachweise bezüglich der Membrankonstruktion erfolgte durch eine Unterbeauftragung des Planungsbüros
if-Membrandesign.
Sämtliche erforderlichen statischen Unterlagen sowie Konstruktions- und Detailausbildungen, die mitunter auch zur Genehmigung des Objekts durch das Bauamt notwendig wurden, sind in ausführungsreifer Ausarbeitung erstellt worden. Auf insgesamt 94 Seiten statischer Ausarbeitung wurden sämtliche Bauteile dimensioniert und bemessen.
Die KIT-Zielstellungen der „Integration von Zu- und Ablassöffnungen“, die „Klärung der Art und Anbringung der Messeinrichtung“, die „Entwicklung von Aus- und Umrüstungskonzepten“ sowie die
„Auswahl von Materialien und Zuschnittsvarianten“ wurden durch die Berücksichtigung in der Ausführungsplanung vollständig erreicht.
1.2.1. Vorplanung Versuchsbehälter
Grafik 1 | Beschreibende Skizze aus den statischen Unterlagen Quelle if-Membrandesign
Grafik 2 | Zu- und Ablassöffnungen in die Versuchsanlage Quelle KIT_IEB-FGB
Zur Integration von Zu- und Ablassöffnugen in die Versuchsanlage:
3 Auslassöffnungen, welche variabel geöffnet und geschlossen werden können, zur Abbildung unterschiedlicher Strömungsszenarien im Gasraum (zusätliche Möglichkeit zur Integration eines Lüfters zur Unterdruckerzeugung).
Einlassöffnung zur gezielten Volumenstromsteuerung durch bereits ausgelgte Lüfter Schaltschrank zum Betrieb der Messtechnik und Steuerung mit Kabeldruchgang in den Behälter.
Grafik 3 | Zu- und Ablassöffnungen in der äußeren Membranhülle Quelle KIT_IEB-FGB
Aus den statischen Unterlagen der Fa. IF-Membrandesign ergeben sich die folgenden Volumina und Druckbeanspruchungen:
Tabelle 3 Behältervolumen
Bereich Volumen
Behälter 15,36 x 1,8 Vb= 333 m3
Außenmembrane bis Oberkante Behälter Va = 896 m³ Innenmembrane bis Oberkante Behälter Vi = 795 m³ Gurtlage unter p= 0,6 kN/m² bis Sole Vg = 437 m³
Tabelle 4 Teilbereichvolumen
Teilbereich Kommentar Volumen
Luftraum Vmax = 896 + 333 -437 = 792 m³
Luftdruck: zwischen -200 und 1000 Pa (-2 bis 10 mbar = -0,2 bis 1,0 kN/m²) -
Standard: pl= 600 Pa (6,0 mbar = 0,60 kN/m²) 1.2.2. Auslegung der Zu- und Abluftöffnungen
Für die Berechnung der verschiedenen Zustände und die mögliche Auslegung der Ablass Ventile wurden diverse Sicherheitsszenarien gemeinsam mit den Projektpartnern definiert. Da die
Auslegung der Strömungssensoren grundsätzlich bei Normzuständen erfolgt wurden für die folgenden Berechnungen basierend auf diesen Werten, mit dem Absolut Druck von 1013 hPa und einer Temperatur von 20° C, durchgeführt.
Der Zustand des befüllten Behälters kann vereinfachend als isotherm betrachtet werden, somit gilt für das Luftvolumen unter einem Überdruck nach dem vereinfachten Gasgesetz, bei
geschlossenem Volumen und konstanter Temperatur:
𝑉𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔𝑠𝑧𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑=𝑉𝐵𝑒ℎä𝑙𝑒𝑡𝑒𝑟∙𝑃𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔
𝑃0 (1)
Zu beachten ist hierbei, dass immer die Absolutwerte des Drucks anzuwenden sind.
Über Bernoulli und die Kontinuitätsgleichung ergibt sich für einen bestimmten Querschnitt A der Durchflussöffnung folgender Zusammenhang zurzeit.
Dabei ist davon auszugehen, dass bei einem Volumen von VBehälter der Überdruck abgebaut wurde.
Nachdem der Überdruck abgebaut wurde kann ein konstanter Druck zum Ablassen der Luft angenommen werden. Dieser entsteht durch das bisher vernachlässigte Eigengewicht der Membran als Flächenlast. Dies führt zu:
𝑡2= 𝑉𝐵𝑒ℎä𝑙𝑡𝑒𝑟
𝐴∙√(𝑃𝑀)∙2𝜌𝐿𝑢𝑓𝑡
(3)
mit PM = Eigengewicht als Flächenlast in N/m2.
Zusätzlich ist die Druckdifferenz durch Temperatureinflüsse untersucht worden, hierfür wird die kurzfristige isochore Zustandsgleichung des vereinfachten Gasgesetzes bei konstantem Volumen angewendet und lautet:
𝑃𝑁𝑒𝑢 =𝑇𝑁𝑒𝑢𝑇 ∙𝑃𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔
𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔 (4)
In der Gleichung (2) wird nun PAusgang durch PNeu ersetzt und es ergibt sich somit das Luftvolumen.
Für die folgenden berechneten Fälle werden die gewählten Sicherheitsszenarien und
Anwendungsszenarien angewendet. Diese besagen ein Entleeren der Kammern innerhalb von 1 Stunde und ein Befüllen der Kammern innerhalb von 2 Stunden. Zusätzlich wird für das
Gasvolumen ein Befüllen in 4 Stunden, sowie ein entleeren in 4 Stunden angesetzt.
Luftraum Volumen voll (792 m3) bei 600 Pa (6 mbar) Innendruck:
1 Stunde entleeren bei einer Öffnung von 0,25 m
- Komprimiertes Luftvolumen ohne Materialdehnung: 796,7 m3 - Druckabbau: 6,04 sec (ohne Eigengewicht Membran)
- Vollkommene Entleerung: 3648,5 sec (48,5 sec über der Stunde, bei 1,2 kg/m2 Membrangewicht)
- Geschwindigkeit: 31,6-4,4 m/s (Volumenstrom 1,55-0,21 m3/s)
2 Stunden befüllen
- Luftvolumen 796 in 7200 sec
- Volumenstrom 0,11 m3/s (<Arbeitspunkt 2000 sec möglich)
Gasraum Volumen 1128 m3 mit 691 m3 Differenzvolumen zwischen voll und leer bei 1000 Pa (10mbar) Innendruck:
Max 1 Stunde entleeren bei einer Öffnung von 0,25 m (Ohne Druck aus Luftraum) - Luftvolumen ohne Materialdehnung: 1139,1 m3
- Druckabbau: 11,1 sec (ohne Eigengewicht Membran)
- Vollkommene Entleerung bis 437 m3 Restvolumen : 3189,1 sec (bei 1,2 kg/m2 Membrangewicht)
- Geschwindigkeit: 40-4,4 m/s (Volumenstrom 2,0-0,21 m3/s)
Max 1 Stunde entleeren bei einer Öffnung von 0,25 m (Mit konstantem Druck aus Luftraum mit 600 Pa)
- Luftvolumen ohne Materialdehnung: 1139,1 m3
- Druckabbau: 2,5 sec (ohne Eigengewicht Membran – Volumen 1134,7 m3) - Vollkommene Entleerung: 447,6 sec
- Geschwindigkeit: 40-31,6 m/s (Volumenstrom 2,0-1,55 m3/s)
2 Stunden befüllen (Ohne Druck aus Luftraum) - Luftvolumen 691 in 7200 sec
- Volumenstrom 0,09 m3/s
2 Stunden befüllen (Mit Druck aus Luftraum) - Luftvolumen 691 in 7200 sec - Volumenstrom 0,09 m3/s
Betriebszustände: (Mit Druck aus Luftraum)
4 Stunden leeren mit 600 Pa Oben (Stützluftraum) - Durchmesser 0,044 m
- Geschwindigkeit: 40,8-31,9 m/s (Volumenstrom 0,062-0,049 m3/s) - Geschwindigkeit am Ausgangsdurchmesser 0,25 m: 1,26-0,98 m/s
4 Stunden leeren mit 400 Pa Oben (Stützluftraum) - Durchmesser 0,049 m
- Geschwindigkeit: 40,8-26,1 m/s (Volumenstrom 0,077-0,049 m3/s) - Geschwindigkeit am Ausgangsdurchmesser 0,25 m: 1,57-1,00 m/s
4 Stunden befüllen mit 600 Pa Oben (Stützluftraum)
- Benötigter Volumenstrom 0,048 m3/s (172,75 m3/h) - Durchmesser 0,15 m
- Geschwindigkeit: 2,57 m/s - Lüfter: 2300 U/min
4 Stunden befüllen mit 400 Pa Oben (Stützluftraum)
- Benötigter Volumenstrom 0,048 m3/s (172,75 m3/h) - Durchmesser 0,15 m
- Geschwindigkeit: 2,57 m/s - Lüfter: 1900 U/min
Gemeinsam mit den Projektpartnern wird der Lüfter FRv 160 als Radiallüfter der Fa. Funken gewählt und in das System wie beschrieben integriert. Die Berechnungen erfolgen auf den Grundlagen der Lüfterkennlinie und einem Arbeitsdiagramm für den Versuchsaufbau. Die Anlagekennlinie beruht auf dem Einlaufquerschnitt mit
𝑃𝐴𝑛𝑙𝑎𝑔𝑒=𝜌𝐿𝑢𝑓𝑡
2 ∙ (𝑉̇
𝐴)2 (5)
Die Auslegung der einzelnen Komponenten wird so gestaltet, dass verschiedene Möglichkeiten zur Regelung des Systems gegeben sind.
Dadurch wird auf ein möglichst großes Spektrum von Szenarien eingegangen, was eine weiträumige Untersuchung der Regelungsmöglichkeiten für spätere Systeme gewährleistet.
1.3. Labormesstechnik und Auswertungsmethodik für die Bestimmung multiaxialer Eigenschaftsprofile von Membranen | AP 3.1
1.3.1. Verformungsmessung der äußeren und inneren Gasmembran Verfahren zur geometrischen Erfassung
Innerhalb der Projektentwicklung wurden unterschiedliche Verfahren zur geometrischen Erfassung von dreidimensionalen Strukturen recherchiert und auf deren Umsetzbarkeit hin untersucht (z.B.
3D-Punktverfolgung, Streifenlichtscanner, Laserscanner, Stereophotogrammmetrie).
Neben Anforderungen an die Messgenauigkeit und einer praxistauglichen Anwendbarkeit dieser Systeme, war ein weiterer wichtiger bzw. limitierender Faktor, der Budgetrahmen, der zur
Realisierung dieser Teilaufgabe eingeplant ist. Auf dem Markt zur Verfügung stehende und etablierte (Einsteiger-) Systeme, die mit „relativ geringem Aufwand“ in die Versuchsumgebung integriert werden könnten, übersteigen diesen um mindestens das 10-fache. Eine der
Herausforderungen innerhalb des Projekts besteht also darin, weitestgehend auf „Open-Source-Lösungen“ zurückzugreifen und mit „alltagsüblichen“ Kamerasystemen zu arbeiten. Ein großer Vorteil solch einer Herangehensweise (bzw. dieser Limitierung) ist wiederum, dass eine
erfolgreiche Systementwicklung und -integration große Anwender- und Anwendungspotentiale für den Einsatz in der Praxis vermuten lässt.
Ein vielversprechender Ansatz zur geometrischen Erfassung der inneren Membrankuppel des 1:1 Modells ist die Stereophotogrammmetrie. Die Planungen und der Aufbau eines entsprechenden Kamerasystems wurde bereits intensiv (auch mit Mitarbeiten des kollegialen Instituts für
Photogrammmetrie und Fernerkundung des KIT) diskutiert und fortentwickelt. Durch die entstandenen Verzögerungen bei der Erstellung der 1:1 Versuchsanlage mussten die
Umsetzungsplanungen hintenangestellt werden und eine Installation des Systems erfolgt im 2.
Jahr der Projektlaufzeit.
Unter Laborbedingungen wurde daraufhin die Geometrieerfassung mit einer Infrarot-Kamera (Modell „Asus Xtion Pro“) getestet (Bild 2). Die Generierung der Punktwolken aus den Aufnahmen wurde mit der Open-Source Softwarelösungen „VisualSFM“ erstellt und mit „MeshLap“ durch eine Vernetzung die 3D-Oberfläche erzeugt.
Bild 2 | Realstruktur (links) | Mit Infrarotkamera erfasste Geometrie als Punktwolke / Bearbeitung in „MeshLap“ (rechts) Quelle Beide KIT_IEB-FGB
Die Genauigkeit der Geometrieerfassung war innerhalb des kleinmaßstäblichen Labormodells (Maßstab ca. 1:10 zur Versuchsanlage) zufriedenstellend. Die Übertragbarkeit dieser
Herangehensweise ins großmaßstäbliche ist aber derzeit noch infrage zu stellen, da die
Genauigkeit für die projektrelevanten Fragestellungen mit aktuellen Hard- und Softwarelösungen nach dem Stand der Technik kaum zu erreichen sind.
Optische Dehnungsmessung für die Außenmembrane
Eine einfache Dehnungsmessung für die Außenmembran wurde entwickelt. Diese wird genutzt um die Dehnung entlang der Längenkreisrichtung zu ermitteln. Daraus folgt, über eine Kalibrierung, eine einfache optische Auswertung des Innendrucks des Stützluftraums.
Bild 3 | 1:1 Anlage mit Dehnungsmesser (links) | Detail mit Skalierung / Kalibrierung (rechts) Quelle Beide KIT_IEB-FGB
Bild 3 zeigt diese Vorrichtung, ihre Funktionalität ist so einfach wie möglich gehalten. Sie besteht aus einem 10 cm breiten und 10 m langen Membranstreifen, welcher in der Nähe der Polkappe der Stützluftmembran auf der Außenseite befestigt ist. An dessen unteren Ende befindet sich ein Gewicht, um den Membranstreifen gleichmäßig an die Stützlufthülle anzulegen. Durch die Dehnung der Stützluftmembran bei unterschiedlichem Innendruck wird eine Markierung auf dem Streifen auf- und abwärts bewegt und mit einer fixen Markierung auf der Außenhülle verglichen. So kann zum einen die Belastung der Außenhülle, sowie der Innendruck ohne großen technischen Aufwand und Kosten optisch vom Betreiber erfasst werden.
1.3.2. Entwicklung von Messinstrumentierung und -methodik
Seit Februar 2019 gibt es eine europaweite Standardisierung biaxialer Zugversuche für Elastomere und Thermoplastisch beschichteten Textilien (Literatur 5). Geregelt sind in dieser Norm Verfahren zur Bestimmung der Werkstoff-Parameter wie die Elastizitätsmoduli und Querdehnung für einen gegebenen ebenen Spannung- und Verzerrungszustand in beschichteten Geweben. Der Entwurf zu dieser Norm ist seit 2018 verfügbar und lag als internes Arbeitspapier Mitgliedern von tensinet, dem europäischen Netzwerk für textile Architektur vor. In der aktuellen Norm sind 3
Versuchseinrichtungen beschrieben, in denen in beschichtete Gewebe ein ebender Spannungs- und Verzerrungszustand eingetragen wird und die Verschiebungen in der Probe über
Wegaufnehmer oder optisch gemessen werden.
Es sind zur Auswertung der Messgrößen aus den durchgeführten Versuchen 6 unterschiedliche Berechnungsmodelle angegeben. Die Versuchseinrichtungen und die Verfahren wurden in den 30 Jahren an Universitären und außeruniversitären Laboren zur Werkstoffprüfung im textilen Bauen entwickelt. Die 6 Berechnungsmodelle unterscheiden im Versuchsablauf, dem Einhalten bzw.
Verletzen der Symmetrie der Nachgiebigkeit- bzw. Steifigkeitsmatrix, den Berechnungsmodellen für die Querdehnung, die je nach Auswertung und Gewebe größer 0,5, kleiner 0,5 und negativ sein können und der Berücksichtigung des einachsigen Spannungszustands.
Die Veröffentlichung der Norm erfolgte innerhalb der Laufzeit des Projektes und zur Validierung der unterschiedlichen Berechnungsmodelle wurden biaxiale Zugversuche an der
fachgebietseignen Versuchseinrichtung durchgeführt und die Ergebnisse gegenübergestellt. Die Darstellung der Werkstoffparameter erfolgt für das ebene, orthotrope Werkstoff-Gesetz in tensorieller Darstellung (Tabelle 5).
Tabelle 5 | Werkstoff-Parameter nach 4 Berechnungsmodellen aus DIN EN 17117 (Literatur 5)
Berechnungsmodell E-Modul [ KN/m] Querdehnung [kN/m]
E1111 E2222 E1122 E2211
In Verfahren A erfolgt die Bestimmung der Werkstoff-Parameter, indem Wertepaare aus einem Versuch für jeden Lastaufstieg und jedes Belastungsverhältnis in eine Funktion eingesetzt werden.
Diese Funktion setzt sich aus den beiden Zeilen des orthotropen Werkstoff-Gesetzes zusammen, welche dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten in die beiden Belastungsrichtungen entsprechen. Es wird die Summe der Quadrate aus den beiden einzelnen Anteilen gebildet und entspricht der Summe der kleinsten Fehlerquadrate. Zur Bestimmung der unbekannten Werkstoff-Parameter wird die Funktion partiell nach den unbekannten Werkstoff-Parametern abgeleitet. Durch das
Nullsetzen der ersten Ableitungen lassen sich die Parameter bestimmen, wenn diese unabhängig voneinander sind. Mit der Symmetrie der Steifigkeitsmatrix werden drei der vier Werkstoff
-Parameter auf diese Weise bestimmt. Der vierte -Parameter ergibt sich aus der
Symmetriebedingung der Steifigkeitsmatrix. Die Funktion lässt sich auch nach allen vier
Parametern ableiten, wobei dies zu einem Verletzen der Symmetriebedingung in der
Steifigkeitsmatrix führt. Die Besonderheit dieses Vorgehen ist, dass die Spannungs-Dehnungs-Beziehung genutzt wird. Bei einem Kraftgesteuerten Versuch, wie dieser üblicherweise durch die Vorgabe eines Kraft-Zeit-Diagramms erfolgt, müssen die Werkstoff-Parameter aus den
Nachgiebigkeiten in die Steifigkeiten umgerechnet werden um diese in die Funktion einzusetzen.
In Verfahren D wird die Dehnungs-Spannungs-Beziehung genutzt um wiederum über
Regressionsgeraden und der Summe der kleinsten Fehlerquadrate die Werkstoff-Parameter zu bestimmen. Berechnet werden die Nachgiebigkeiten, die in einem weiteren Schritt in die
Steifigkeiten umgerechnet werden. Mit denselben gemessenen Dehnungen und berechneten Spannungen sollten die Kennwerte in Verfahren A und D identisch sein. Dies ist für die E-Moduli auch annähernd eingehalten (vgl. Tabelle 5). Bei der Auswertung ist für das Verfahren D ist die Symmetrie der Nachgiebigkeitsmatrix verletzt, indem alle vier unbekannten Parameter über das Ableiten der Funktion für die Summe der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt wurden. Dies zeigt sich in unterschiedlichen Größen für die Querdehnung (Tabelle 5).
Verfahren E ist eine Erweiterung vom Verfahren D um die Werkstoff-Parameter an verschiedene Belastungsverhältnisse anzupassen. Die Fadengeometrie in Kette- und Schussrichtung führt auf Grund der geometrischen Nicht-Linearität bei größeren Verformungen zu einem weicheren oder steiferen Verhalten. Um diese Unterschiede zu erfassen werden Werkstoff-Parameter auf das Belastungsverhältnis Kette:Schuss mit 1:1 normiert. Die Querdehnung bleibt für alle
Belastungsverhältnisse konstant. Um die Unterschiede aufzuzeigen, die sich für die
unterschiedlichen Belastungsverhältnisse ergeben, sind für 5 Belastungsverhältnisse die mit diesem Verfahren berechneten Parameter angegeben (Tabelle 6). Der Mittelwert aus den in Tabelle 5 darstellten Werten entspricht den Kenngrößen in Tabelle 5 Zeile 7.
Tabelle 6 | Nach dem Verfahren E ermittelte Werkstoff-Parameter für unterschiedliche Belastungsverhältnisse
Spannungsverhältnis
Verfahren A, D und E nutzen ein mathematisches Verfahren zur Bestimmung der Werkstoff-Parameter, welches einer Schätzung entspricht. Es fehlt eine Zuordnung zu den
Bedingungsgleichungen, die üblicherweise in der Strukturanalyse genutzt werden. Eine gewisse Ähnlichkeit zum Potential einer elastischen Struktur ist vorhanden, jedoch auch deutliche
Unterschiede. Dieser Tatsache wird in Verfahren C Rechnung getragen, indem ein anderer Ansatz gewählt wird. Diesem Ansatz liegt die Linearität des Werkstoff-Gesetzes zu Grunde. Wird das Werkstoff-Gesetz in eine Richtung und eine Verzerrung abgeleitet, entfällt die Verzerrung in die andere Richtung. Folglich reduzieren sich die unbekannten Parameter auf 2 für jede Richtung und lassen sich bestimmen. Die Kontrolle ist, dass die Querdehnung in die eine Richtung mit der Querdehnung in die andere Richtung übereinstimmen muss. Das zur Regelung der
Versuchseinrichtung notwendige Kraft-Zeit-Diagramm besitzt einen anderen Verlauf im Vergleich zu Verfahren A, D und E. Um eine Vergleichbarkeit zu den anderen Verfahren zu haben, wurden
aus demselben Kraft-Zeit-Diagramm Wertepaare für das Belastungsverhältnis Kette : Schuss von 1 : 0 und 0 : 1 gewählt (vgl. Tabelle 5). Eine Erklärung für die deutlichen Unterschiede der
Werkstoff-Parameter nach Verfahren A für dasselbe Spannungsverhältnis ist der unterschiedliche Ansatz. Möglicherweise ist die Schätzung nach Verfahren A zu ungenau oder das Verhalten des beschichteten Gewebes ist nicht linear und dann verliert Verfahren C seine Gültigkeit.
Am Fachgebiet stehen für die biaxialen Zugversuche zwei unterschiedliche Messverfahren von zwei Herstellern zur Verfügung, mit denen exemplarisch ein Versuch ausgewertet wurde. Die Messung erfolgt in Verfahren 1 mit zwei Kameras, in Verfahren 2 mit einer Kamera. Optisch gemessen wird in beiden Verfahren das Verschieben von Punkten auf der Probe. In Tabelle 3 … sind für ein Fadenkreuz auf der Probe die ermittelten Dehnungen in Kett- und Schussrichtung dargestellt. Eine Erklärung für die deutlichen Abweichungen in den Verzerrungen ist noch offen.
Die unterschiedlichen Verzerrungen, für die annähernd gleichen Spannungen, erklären sich mit einem Verzug des Schussfadens, welcher in allen 3 Proben unterschiedlich ist.
Tabelle 7 | Verzerrungen eines Fadenkreuzes mit Messverfahren von 2 Herstellern
Spannung Verfahren 1 Verfahren 2
nK [kN/m] nS (kN/m] K [%] S [%] K [%] S [%]
Probe 1 8.4 8.13 0.67 1.22 1.51 1.90
Probe 2 8.41 8.41 0.16 0.34 1.57 2.14
Probe 3 8.72 8.46 0.38 0.30 1.93 2.59
Am KIT wurde ein Berechnungsverfahren entwickelt, in dem für Proben mit Schussfadenverzug Verzerrungen berechnet werden, wenn die Kräfte und Werkstoff-Parameter bekannt sind. Das Nachrechnen mit Werkstoff-Parametern, die nach Verfahren D bestimmt wurden, ergeben für Probe 1 Dehnungen von 1,91 % in Kettrichtung und 2,0 % in Schussrichtung.
Die mit den Möglichkeiten am Fachgebiet durchgeführten Versuche und Auswertungen haben gezeigt, dass es trotz einer vorhandenen Norm noch einige offene Fragestellung gibt, z.B. eine Validierung der optischen Messung. Es sollte sichergestellt sein, dass die Abweichungen bei verschiedenen Herstellern im Rahmen einer zu definierenden Messgenauigkeit liegen. Offen sind nachvollziehbare Erklärungen für die Unterschiede in den Werkstoff-Parametern mit den
unterschiedlichen Auswertungsverfahren. Um die Fragen zufriedenstellend zu beantworten, ist wesentlich mehr Aufwand an Zeit und Personal notwendig als im Vorhaben vorgesehen war.
1.3.3. Entwicklung einer Steuer- und Regelungseinheit für den Innendruck und die Volumenströme / Testen der Steuer- und Regelungseinheit im Labor / Einbau der Komponenten in die Versuchsanlage / Testen der Messtechnik
Die Planungen zur Ausführung der Versuchsanlage im Maßstab 1:1 (Arbeitspaket 2) sind
vollständig abgeschlossen. Durch Verzögerungen im Bauablauf (hier ist vor allem der Prozess für die Baugenehmigung des Objekts zu nennen) erfolgte die tatsächliche Ausführung des
Versuchsbehälters um ein halbes Jahr später als zu Beginn des Vorhabens geplant war.
Durch den außerhalb der vorgesehenen Arbeitspakte realisierten Labor-Versuchsaufbau konnten diese zeitlichen Verschiebungen weitestgehend kompensiert werden, hierfür wurde ein Modell im Maßstab von ca. 1:10 (Ø 125 cm) im Labor am Fachgebiet Bautechnologie realisiert.
Die Integration der Steuerungs- und Messtechnik am Versuchsbehälter in Düren (auf dem Gelände der Fa. Seybold) wurde nach dessen Fertigstellung realisiert. So wurden für den Stützluftraum und den Gasraum die entsprechenden Temperatursensoren, Drucksensoren, Strömungssensoren und Lüfter installiert und getestet.
Zusätzlich wurde ein Schaltschrank konzipiert und zu der Messtechnik als Steuer- und
Regeleinheit hinzugefügt. In diesem befinden sich auch ein Temperatursensor und ein Absolut-Drucksensor, um die direkten klimatischen Umgebungswerte erfassen zu können.
Bild 4 | Messtechnik Stützluftraum Quelle KIT_IEB-FGB
In Bild 4 ist die integrierte Messtechnik abgebildet. Der Stützluftraum ist in 3 Abschnitte unterteilt, in den Einlass und die beiden Auslässe. Alle Abschnitte wurden mit einem Strömungssensor ausgestattet, um die Volumenströme ermitteln zu können. Da die Zulaufstrecke „nicht
normgerecht“ zur Umrechnung in den Volumenstrom eingehalten werden konnte (mit
10*Durchmesser vor und 5*Durchmesser nach dem Sensor), mussten Gleichrichter in die Rohre integriert werden. Diese wurden extra hierfür am Fachgebiet Bautechnologie konstruiert und gefertigt.
Der Aufbau der Gleichrichter besteht aus 4 ineinander geschobenen 0,5 mm starken Aluminiumblechen. Welche zunächst entwickelt und konstruiert wurden und mittels dem
Fachgebietseigenen Schneidplotter (Zünd xl1600) ausgefräst wurden. Um die Präzision der Bleche zu verbessern wurden diese vorher auf eine Holzunterkonstruktion aufgebracht. Der Vorgang ist im Bild 5 dargestellt.
Bild 5 | Einzelnes Blech Konstruktionszeichnung und Verarbeitung Quelle KIT_IEB-FGB
Das Blech (Bild 5) wurde im 90° Winkel umgeformt und mit der Unterstützung einer Hilfskonstruktion in das jeweilige Rohr eingebracht und verklebt (Bild 6).
Bild 6 | Gleichrichterblech in der Hilfskonstruktion und im Einlaufrohr Quelle KIT_IEB-FGB
Durch die Gleichrichter verändert sich das jeweilige Strömungsprofil des Rohres und eine zusätzliche Kalibrierung jedes einzelnen Rohres wurde notwendig. Dies erfolgte über einen für
diese Zwecke erstellten 3,5 m langen Vergleichskanal, ohne Störungselement nach DIN EN 16211 (Literatur 6).
Der Einlaufbereich wurde mit einem Lüfter „FRV 160“ versehen, die beiden Auslässe nur mit Schiebereglern. Diese ermöglichen eine Reduzierung der Auslassfläche, bis hin zum
vollkommenen Verschluss. Lüfter zur Unterdruckerzeugung sind für den Stützraum nicht notwendig, da dieser immer mit einem Überdruck beaufschlagt wird. Zusätzlich wurden
vollkommenen Verschluss. Lüfter zur Unterdruckerzeugung sind für den Stützraum nicht notwendig, da dieser immer mit einem Überdruck beaufschlagt wird. Zusätzlich wurden