Experimentelle Untersuchungen an Dachziegeln als Basis numerischer Simulationen zur Vorhersage der Tragfähigkeit

Abstract

Obwohl Ziegel als Baumaterial seit Tausenden von Jahren genutzt werden, beruhen Neuentwicklungen in der Ziegelindustrie immer noch großteils auf den Erfahrungen kompetenter Ingenieure und Facharbeiter, denn auf einem soliden, physikalisch fundiertem Wissen über die Zusammenhänge zwischen Materialzusammensetzung, Brenntemperatur, Dichte und mechanischen Eigenschaften. Für eine Verbesserung des Ressourcen- und Energieeinsatzes im Produktionsprozess ist, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung von Ziegelgeometrien, eine Identifikation solcher Zusammenhänge wesentlich. In der Dachziegelherstellung stellt der Rohstoff Ton zudem einen signifikanten Anteil der Produktkosten dar - eine Massenreduzierung bei gleichzeitiger Erhaltung der Ziegelqualität ist daher von zentraler Bedeutung. Ein bedeutendes Instrument zur Strukturoptimierung solcher Dachziegelgeometrien bildet hierfür die Finite Elemente Methode.Der Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die für Finite Elemente Simulationen notwendige, umfangreiche Charakterisierung von Materialparametern, welche für genaue numerische Simulationen unabdingbar sind. Dazu wurden an Probekörpern unterschiedlicher Brenntemperaturen die Dichte und Wasserabsorption bestimmt, Biegezug- und Ultraschallversuche durchgeführt und an komplexen Dachziegelgeometrien erste μCT-Bilder erstellt. Die Fülle an erhaltenen Daten erlaubt die Bestimmung deutlicher Korrelationen zwischen unterschiedlichen Materialkonstanten, wobei ein durch den Extrusionsprozess richtungsabhängiges Materialverhalten vorherrscht. Die ermittelten Daten an den unterschiedlichen Probekörpern wurden in einem weiteren Abschnitt Biegezugversuchen an ganzen Ziegeln gegenübergestellt und die ermittelten Bruchspannungen mit jenen der Probekörper sowie jenen aus FE-Simulationen an einfachen und komplexen Geometrien verglichen.Ein Designkonzept bestehend aus Identifikationsversuchen, einem 3D Simulationstool und Verifikationsexperimente konnte somit erstmals vorgestellt werden. Grundlegende Zusammenhänge zwischen den für die Simulation notwendigen Materialparametern sowie deren Anwendung in FE Modellen zur Ermittlung der Tragfähigkeit von Dachziegeln wurden darin ausführlich beschrieben.

Although bricks have been used as a building material for thousands of years, new developments in the brick industry are still largely based on the experience of competent engineers and skilled workers, rather than on a safe, physically based knowledge of the links between material composition,firing temperature, density and mechanical properties. In order to improve the efficiency inthe use of resources and energy consumption in the production process, it is essential to identify such relationships, particularly with regard to the optimization of brick geometries. In the rooftile industry the use of clay materials also represents a significant share of the product costs - areduction in mass while maintaining the remaining tile quality is therefore a major topic. Thef inite element method offers an important instrument for optimizing the structure of such rooftile geometries.Essential for precise numerical simulations is the extensive characterisation of material parameters,which represents the main focus of this work. For this purpose, test specimens fired at different temperatures were prepared, where the density and water absorption were determined and bending and ultrasonic tests were carried out. Also first μCT-images were created oncomplex roof tile geometries. The abundance of recieved data allows the determination of clear correlations between the different material constants, whereby an anisotropic material behavior due to the extrusion process prevails. The recieved data of different test specimens were setin contrast to bending tests on whole roof tiles and the determined flexural strenghts were compared with those of the test specimens and those from finite elemente simulations on simpleand complex geometries. A design concept of identification tests, a 3D simulation tool and verification experiments could therefore be presented for the first time. Consequently this work describes in detail fundamental relationships between the material parameters required for numericalsimulations and their application on FE-Models to determine the load capacity of roof tiles.