Zum Tragverhalten hyperelastischer Klebverbindungen im konstruktiven Glasbau

Von:

Benjamin Schaaf

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Der Einsatz geklebter Verbindungen im konstruktiven Glasbau bietet die Möglichkeit, ansprechende Fassaden mit einem Höchstmaß an Transparenz zu realisieren oder Bauteile zu fugen, die anders nicht zu verbinden waren. Da es in Deutschland jedoch keine allgemein anerkannten Regeln der Technik für geklebte Glaskonstruktionen gibt, ist stets ein bauordnungsrechtlicher Ver- bzw. Anwendbarkeitsnachweis einzuholen, der mit zusätzlichem Kosten- und Zeitaufwand verbunden ist. Maßgebend für das Fehlen anerkannter Regeln der Technik ist im komplexen Materialverhalten der eingesetzten Silikonklebstoffe zu sehen. Zeit- und Temperaturabhängigkeit, ein hyperelastisches Deformationsverhalten sowie eine alterungsbedingte Degradation des Werkstoffs erschweren die Auslegung von Klebverbindungen. In dieser Arbeit werden daher Ansätze für ein realistisches Bemessungskonzept für hyperelastische Silikonklebverbindungen vorgestellt. Nachdem das derzeitige Bemessungsverfahren und die wichtigsten Grundlagen zum Verständnis von Klebstoffen erläutert wurden, werden verschiedene Grundversuche zur Charakterisierung des Werkstoffs vorgestellt. Der Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen an drei zugelassenen Silikonklebstoffen liegt insbesondere auf dem zeitabhängigen Last-Verformungsverhalten und der Ableitung entsprechender, materialspezifischer Kennwerte. Im nächsten Schritt wird ein viskoelastisches Materialmodell entwickelt, welches eine genaue Berechnung des Last-Verformungsverhaltens in Abhängigkeit der Belastungsgeschwindigkeit und des Deformationszustands ermöglicht. Anhand verschiedener bauteilähnlicher Proben kann die Eignung des Modells zur Berechnung des Tragverhaltens realer Struktursituationen validiert werden. Im Anschluss wird die Beanspruchbarkeit von Klebverbindungen untersucht. Aufgrund des nahezu vollständig inkompressiblen Materialverhaltens können hier zwei relevante Versagensmechanismen identifiziert werden: das deviatorische Zugversagen, welches mit einem totalen Tragfähigkeitsverlust der Verbindung einhergeht, sowie ein volumetrisches Zugversagen (Kavitation), welches die Steifigkeit der Klebverbindung in Abhängigkeit von den geometrischen Randbedingungen reduziert. Basierend auf den Erkenntnissen der experimentellen und unterstutzenden numerischen Untersuchungen wird eine dehnungsbasierte Auslegung vorgeschlagen. Nachfolgend wird ein Entwurf für ein erweitertes Bemessungskonzept vorgestellt, welches sich in das semiprobabilistische Teilsicherheitskonzept eingliedert. Auf der Grundlage der experimentellen Daten werden charakteristische Bemessungsgrößen und Teilsicherheitsbeiwerte bestimmt. Zusätzlich wird ein Modifikationsbeiwert, wie er bspw. bereits im Ingenieurholzbau verwendet wird, ermittelt, welcher die Berücksichtigung des zeitabhängigen Widerstands der Klebverbindung bei der Bemessung ermöglicht. Hierzu werden eine Vielzahl von Simulationsrechnungen zur Lösung des zeitabhängigen vollprobabilistischen Bemessungsproblems durchgeführt. Abschließend wird ein globales und ein lokales Verfahren für die Auslegung einer Klebverbindung vorgeschlagen. Mit dem globalen Verfahren ist eine Bemessung einfacher Klebfugen mit einem Handrechenkonzept in Anlehnung an die ETAG 002 möglich, wobei eine Zug-Schub-Interaktion ergänzt wird. Ist eine genauere Berechnung gewünscht, oder gestaltet sich die Fugengeometrie oder die Belastungssituation komplex, können volumetrische FE-Modelle verwendet werden. Die Auslegung wird dann mit lokalen Dehnungen vorgenommen. In beiden Konzepten kann der zeitabhängige Widerstand mit Hilfe des Modifikationsbeiwerts berücksichtigt werden.