Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMDie Ansprüche und Wünsche an Türen hinsichtlich Design und Funktionalität betreffen ganz unterschiedliche Aspekte. Dabei geht es um Anforderungen wie geringes Gewicht, einfache Montage sowie hohe Wärmedämmung und Einbruchhemmung. Auch die Entwicklung neuer Materialien spielt deshalb eine große Rolle. In verschiedenen Projekten mit dem Türenhersteller Biffar schaffen wir Lösungen durch Simulation.
Durch Anwendung der entwickelten Simulationstechniken konnten anschließend sehr schnell die Eigenschaften von neuen und herkömmlichen Materialien ausgewertet und verglichen werden.
Türmaterialien im Vergleich
Durch Anwendung der entwickelten Simulationstechniken werden die Eigenschaften von neuen und herkömmlichen Materialien ausgewertet und verglichen. Neuartige Materialien wie Dämmstoffe, Brandschutzmaterialien oder faserverstärkte Kunststoffe besitzen ein großes Potenzial bezüglich der Herstellung innovativer Türen.
© Biffar
Optimierung von Türen mittels Simulation
Entwicklung neuer Materialien
Bei der Auswahl von Türmaterialien müssen beispielsweise mehrere Kriterien bewertet werden. Dabei hat die Simulation den großen Vorteil gegenüber Mess- und Prüfverfahren, dass die Bewertung ohne Herstellung von Prototypen möglich ist. Im Projekt wurden Simulationstechniken und Bewertungsmethoden speziell für die Auswahl von Türmaterialien entwickelt, die für die Dimensionierung und Optimierung von Türen hinsichtlich Wärmedämmung, Brandschutzverhalten und Einbruchhemmung eingesetzt werden können.
Hier werden einige typische Simulationsergebnisse für Türkonstruktionen mit Aluminiumprofilen gezeigt, die einen Verzug verhindern, die einbruchsicher sind und zusätzlich eine ansprechende Oberfläche aufweisen.
Bild 1: Simulation des U-Wertes für Türrahmenvarianten. (Nummern bezeichnen verschiedene Werkstoffe)
Optimierung Wärmedämmung
Ein wichtiger Schwerpunkt der Simulation ist die Optimierung der Wärmedämmeigenschaften, die im Bauwesen durch den U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) charakterisiert werden. Der U-Wert der gesamten Türkonstruktion setzt sich aus den U-Werten des Türblatts, des Türrahmens und der Zarge zusammen.
Um die Firma Biffar auch auf sich ändernde Anforderungen bzw. neue Märkte vorzubereiten, wurden ihr die bei uns am Institut entwickelten Softwaretools zur Verfügung gestellt und ihre Mitarbeiter im Umgang mit diesen geschult. Konkret befindet sich nun ein Softwaretool im Einsatz, das ausgehend vom Türdesign (Türhöhe, -breite, -rahmen) und dem Aufbau des Türblattes den U-Wert der Tür vollautomatisch gemäß DIN EN ISO 6949 berechnet. Auf diese Weise kann bereits während des Designprozesses sichergestellt werden, dass die aktuellen Anforderungen an die Wärmeisolierung erfüllt werden.
Bild 1 zeigt die Simulationsergebnisse der U-Werte für zwei Varianten von Aluminiumprofilen (Material 1) jeweils für die Tür und die Zarge. Dabei ist der Dämmstoff als Material 2 gekennzeichnet. Die entsprechenden Temperaturfelder zeigen den stationären Zustand bei einer Temperaturdifferenz von 20 Kelvin. Obwohl die Dicke des Rahmens und der Materialeinsatz kaum erhöht wurden, weist die optimierte Variante (Bild 1, rechts) einen wesentlich niedrigeren U-Wert auf.
Bild 2 Simulationdes Feuerwiderstands für Türrahmenvarianten: Querschnitt des optimierten Profils (Nummern bezeichnen verschiedene Werkstoffe).
Bild 3 Simulation des Feuerwiderstands für Türrahmenvarianten: Vergleich der maximalen Temperaturen an der feuerabgewandten Seite, A: herkömmliches und B: neues Profil.
Berechnung des Feuerwiderstands
Ein zweiter Simulationsschwerpunkt ist die Berechnung des Feuerwiderstands, da Brandversuche sehr aufwändig und teuer sind. Teilweise müssen die Versuche zum Nachweis des Feuerwiderstands im Land des Kunden und nicht im Herstellerland durchgeführt werden.
Die Wirkung der häufig eingesetzten Brandschutzmaterialien (Materialien 1, 2 und 3 in Bild 2) basiert auf einer oder mehreren Phasenumwandlungen im Material, wobei diese große Mengen an Wärmeenergie erfordern. Folglich müssen bei der Modellierung und Simulation die Phasenumwandlungsvorgänge beschrieben werden.
Die Ergebnisse der Simulation eines Brandversuchs, der standardisiert ist, sind in Bild 3 dargestellt. Die im Diagramm gezeigte maximale Temperatur an der feuerabgewandten Türseite ist in der optimierten Variante über den gesamten Zeitraum wesentlich niedriger als beim herkömmlichen Profi l. Dieses Beispiel demonstriert ebenfalls das große Optimierungspotenzial, das durch die Simulation von einer Vielzahl von Varianten ausgeschöpft wurde.
Bewertung Einbruchsicherheit und Windbelastung
Zur Bewertung der Einbruchsicherheit und Windbelastung dienten die Ergebnisse von standardmäßigen FEM-Simulationen zur Spannungsanalyse. Die Einbruchhemmung wird anhand von lokalen Druckbelastungen auf unterschiedliche Punkte der Türoberfläche untersucht.
Damit lassen sich sowohl die Werkstoffe als auch die Wandstärken optimieren, wobei zu beachten ist, dass leichtere Türen sowohl bei der Montage vorteilhaft sind als auch hinsichtlich der Funktion beim Öffnen und Schließen.
Versuche bestätigen Simulationsresultate
Die hier vorgestellten Simulationsresultate wurden in realen Prüfungen und Versuchen mit hoher Genauigkeit bestätigt. Außerdem wäre ohne FEM-Simulationen eine derartige Optimierung von Türen und Zargen in so kurzer Zeit nicht möglich gewesen.
Durch unsere erfolgreiche Zusammenarbeit mit Biffar konnten die Biffar-Konstrukteure die Ergebnisse der FEM-Simulation direkt in der Produktauslegung berücksichtigen und so das aufgezeigte Optimierungspotenzial
nutzen. Dies hat die Verantwortlichen bei Biffar so überzeugt, dass die Simulation bei neuen Türkonstruktionen schnell zur Routine geworden ist.