Prüfung der Ladung

Dec 01, 2023

Datum: 2. September 2022

In diesem Beitrag wird eine Studie zur Entwicklung eines geklebten Randverbundes für flüssigkeitsgefüllte Isolierglaseinheiten vorgestellt. Solche neuartigen Fassadenelemente ermöglichen multifunktionale Gebäudehüllen und eine verbesserte Energieeffizienz von Gebäuden. Der geklebte Randverbund einer Flüssigkeitsverglasung wird durch den hydrostatischen Druck, der zusätzlich zu den typischen Belastungen an Fassaden wirkt, stark beansprucht. Durch die dauerhafte Einwirkung der Flüssigkeit kann es außerdem zu schwerwiegenden Alterungseffekten kommen. Daher ist der Randverbund so konzipiert, dass sich die chemische und physikalische Beanspruchung auf zwei Funktionszonen aufteilt. Die erste Funktionszone dient als schützende Abdichtung und trennt die Flüssigkeit von der zweiten, tragenden Funktionszone. Die Klebstoffe für beide Funktionszonen wurden anhand eines umfangreichen Testprogramms ausgewählt.

Nach der Auswahl der Materialien werden die neuartigen Fassadenelemente in groß angelegten Bauteilversuchen getestet. Die Mock-ups werden im Maßstab 1:2 im Vergleich zur Originalgröße der vorgesehenen Fassadenelemente erstellt. Da der Schwerpunkt der Untersuchung auf der Leistung der verklebten Kante liegt, wird das Kantendetail in Originalgröße bei kleinerer Glasgröße realisiert. Die Glasdicke wird verändert, um Drehungen im Randbereich zu erreichen, die den Fassadenelementen in Originalgröße entsprechen. Die Tests werden in einem Prüfstand für Vorhangfassaden durchgeführt, der eine gleichzeitige Belastung des Elements durch zyklischen Winddruck und konstanten Wasserdruck ermöglicht. Die Klebeverbindung trägt alle Lasten bis auf das Eigengewicht der Glasscheiben. Die Versuchsergebnisse werden mit den numerischen Berechnungen verglichen und eine Abschätzung des Tragverhaltens vorgenommen.

Kaum ein anderer Aspekt eines Gebäudes verkörpert moderne Architektur besser als Glasfassaden. Gerade in repräsentativen Büro- und Verwaltungsgebäuden sind maximale Transparenz und Tageslichtausnutzung gefragt. Trotz der optimierten Konstruktion leistungsstarker Mehrscheiben-Isolierverglasungen (IGS) sind großflächige Verglasungen mit relativ hohen Energieverlusten verbunden. Dies gilt sowohl für den Energieeintrag durch Sonneneinstrahlung im Sommer als auch für die Energiedissipation über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion bei niedrigen Außentemperaturen im Winter. Aus diesem Grund wird ständig an der Optimierung der Fassade geforscht. Ziel ist die Schaffung multifunktionaler Gebäudehüllen für den Bau von Ultra-Niedrigenergiehäusern. In den letzten Jahren wurden verschiedene Forschungsprojekte zu flüssigkeitsgefüllten Fassadenelementen durchgeführt. Mit Hilfe einer Flüssigkeit können die Fassadenelemente thermisch reguliert werden.

Die Idee, den Scheibenhohlraum mit einer Flüssigkeit zu füllen, basiert auf der hohen spezifischen Wärmekapazität von Wasser, die etwa viermal so groß ist wie die von Luft. Dadurch ist Wasser ein sehr guter Wärmeträger bzw. Kühlmittel. Diese Eigenschaft wird durch die Zugabe chemischer Zusätze, die zur Verhinderung von Algenwachstum notwendig sind, nicht verändert. Der Einsatz eines Wasser-Ethylenglykol-Gemisches hat sich in mehreren Forschungsprojekten bewährt. Das Flüssigkeitsgemisch kann mit nur geringem Energieaufwand auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Auf diese Weise können mit Flüssigkeit gefüllte Fassadenelemente zur Verbesserung der Innentemperaturen beitragen. Denkbar ist auch die Zugabe magnetischer Partikel zum Flüssigkeitsgemisch, die auf einfallende Sonnenstrahlung reagieren und die Scheibe verdunkeln.

Gleichzeitig steigen die ästhetischen Ansprüche an die Gebäudehülle. Structural Sealant Glazing Fassaden (SSG-Fassaden) erfreuen sich aufgrund ihrer homogenen Oberfläche einer hohen Nachfrage. Abbildung 1 zeigt zwei Querschnitte von SSG-Fassaden. Das allgemeine Prinzip basiert auf einer tragfähigen Klebeverbindung auf der Rückseite entweder der äußeren Glasscheibe (Stufen-Isolierglas) oder der inneren Glasscheibe (Standard-Isolierglas). Das beste ästhetische Ergebnis wird erzielt, wenn externe Klammern vermieden werden. Das Ergebnis sind große Glasscheiben mit einem Minimum an Rahmen.

Wird der Scheibenzwischenraum jedoch mit einer Flüssigkeit statt mit einem Luft-Gas-Gemisch gefüllt, kommt es aufgrund des hydrostatischen Drucks und der durch die Flüssigkeit verursachten Abbauprozesse zu einer hohen Belastung des Randdichtstoffs. Daher wurden die ersten Pilotanwendungen, die sich aus aktuellen Forschungsprojekten ergaben, bisher immer mit zusätzlichen Klammern oder Verbindungselementen realisiert. Abb. 2 zeigt beispielhaft das BIQ-Algenhaus, das im Rahmen der Internationalen Bauausstellung 2006–2013 in Hamburg errichtet wurde. Die weltweit erste Photobioreaktorfassade ist eine solche Anwendung von flüssigkeitsgefüllten Verglasungselementen in der Fassade. Die einfallende Sonnenstrahlung wird zur Erzeugung von Wärme und Biomasse genutzt. Die Fassadenelemente sind geschosshoch. Deutlich zu erkennen ist der äußere Klemmrahmen, der die Scheiben zusammenhält, Abb. 2 rechts.

Ziel der aktuellen Forschung ist es, einen geklebten Randverbund für flüssigkeitsgefüllte Isolierverglasungen zu entwickeln, der ohne einen solchen Rahmen auskommt. Die Randabdichtung soll dann allein den Belastungen aus hydrostatischem Druck, Wind und Verkehrslasten standhalten können, ohne dass eine äußere Einspannung erforderlich ist. Eine weitere große Belastung ist die ständige Einwirkung von Flüssigkeiten, da der verklebte Randverbund dauerhaft belastbar und zudem dicht sein muss.

2.1. Fassadenelement als Beispielgestaltung

Für eine Spannungsanalyse von flüssigkeitsgefüllten Fassadenelementen ist es notwendig, geometrische und strukturelle Randbedingungen zu definieren. Eine typische Geometrie und ein praktischer Glasaufbau lassen sich beispielsweise aus dem Fassadenelement aus dem EU-Forschungsprojekt „InDeWaG – Industrielle Entwicklung wasserdurchströmter Verglasungssysteme“ ableiten. Dabei handelt es sich um ein geschosshohes Fassadenelement mit einer Höhe von h = 3000 mm und einer Breite von b = 1350 mm (Abb. 3). Der Scheibenhohlraum beträgt ca. d = 24 mm. Es enthält ein flüssiges Gemisch aus Wasser und Ethylenglykol (Mischungsverhältnis 70:30), das zum Heizen und Kühlen verwendet wird. Diese grundlegenden Geometriedaten dienen als Orientierung und Referenz für den Untersuchungsansatz dieser Arbeit.

Durch die Flüssigkeit baut sich in den Scheibenhohlräumen ein hydrostatischer Druck auf. Dies ist abhängig von der Füllhöhe und ergibt ein dreieckiges Lastmuster (Abb. 4, links). Bei einer Höhe von h = 3000 mm ergibt sich am Fußpunkt ein Maximum von ph≈ 30 kN/m². Der Druck wirkt senkrecht zur Glasoberfläche und führt zu einer Zugspannung auf den verklebten Randverbund. Eigenlasten werden nicht über die Klebeverbindung übertragen. Daher treten im Randverbund keine Schubspannungen auf. Um die Zugspannung zu reduzieren und die Scheibenverformung zu begrenzen, ist es technisch möglich, im Fassadenelement ein Vakuum zu erzeugen (InDeWaG 2019). Bei einem Vakuum von pu≈ −15 kN/m² verschiebt sich der Neutralachsendruck von der Oberkante zur Elementmitte.

Die Lastverteilung nimmt eine antisymmetrische Form mit einem hydrostatischen Druck von ph≈ −15 kN/m² am oberen Rand und ph≈ 15 kN/m² am unteren Rand an (Abb. 4, rechts). Selbst mit Hilfe der Vakuumtechnik ist die Belastung bei SG-Fassaden immer noch deutlich höher als bei herkömmlichen Verglasungen. Diese tragen horizontale Windkräfte von nur ca. 2 kN/m² über die Strukturverklebung. Um die Verformungen zu begrenzen, wird ein relativ steifer Verbundsicherheitsglasaufbau aus 2 x 10 mm TVG gewählt.

2.2. Geplanter Randverbundverbund

Um den hohen mechanischen Beanspruchungen durch hydrostatischen Druck standzuhalten und auch den zu erwartenden starken Alterungsbeanspruchungen durch den ständigen Kontakt mit dem Flüssigkeitsgemisch standzuhalten, ist eine neuartige Hochleistungs-Randabdichtung erforderlich. Der Aufbau basiert auf dem Prinzip eines herkömmlichen Randverbundes einer gasgefüllten Isolierglaseinheit. Durch die Kombination zweier Klebstoffe werden somit die Funktionen „Abdichten“ und „Lastübertragung“ auf geeignete Materialien aufgeteilt. Die Zonen werden im Folgenden als erste und sekundäre Funktionszone bezeichnet. Abb. 5 zeigt den geplanten Randverbund. Die primäre Funktionszone zwischen dem als Abstandhalter dienenden Edelstahlhohlprofil und dem Glas steht in ständigem Kontakt mit der Flüssigkeit und ist für die Abdichtung verantwortlich. Die sekundäre Funktionszone verläuft entlang der Gerätekante auf der Außenseite des Abstandhalters und nimmt den hydrostatischen Druck, den Wind und die Verkehrslasten auf.

2.3. Klebstoffauswahl und Klebefugengeometrie

Mittels eines umfangreichen Testprogramms begleitet von numerischen Berechnungen konnten die bevorzugten Klebstoffe für den geplanten Randverbund ausgewählt werden. So wurde beispielsweise das Haftungsverhalten der Klebstoffe mit und ohne künstliche Alterung im Wasser-Ethylenglykol-Gemisch untersucht (Joachim 2021) und Dichtheitsprüfungen durchgeführt (Joachim 2022). Letztendlich fiel die Wahl auf zwei Zweikomponenten-Silikone. Für die primäre Funktionszone wurde das schnellhärtende Sikasil® AS-785 von Sika verwendet, das für die industrielle Produktion entwickelt wurde. Es zeichnet sich durch eine sehr gute Haftung sowie Alterungsbeständigkeit aus. Die sekundäre Funktionszone wird mit dem höherfesten Structural-Glazing-Silikon Sikasil® SG-550 von Sika hergestellt. Im Vergleich zu Standard-SG-Silikonen ermöglicht Sikasil® SG-550 aufgrund seiner hohen Belastbarkeit kleinere Klebefugenmaße.

Die begleitenden numerischen Berechnungen unterstützten die Klebstoffauswahl bei der Planung von Versuchsaufbauten und der Abschätzung von Versuchsergebnissen. Darüber hinaus war eine Klebefugendimensionierung nach erfolgreicher Klebstoffauswahl möglich. Der angestrebte Scheibenhohlraum und damit die Dicke der sekundären Funktionszone sollte ca. d = 24 mm. Die Abmessungen des Edelstahl-Hohlprofils und die Dicke der primären Funktionszone bestimmten jedoch die tatsächliche Abmessung des Scheibenhohlraums. Die Berechnungen ergaben, dass eine Klebeschicht aus Sikasil® AS-785 mit einer Dicke von 4 mm ein optimales Verhältnis zwischen Steifigkeit und Verformungsfähigkeit aufweist. Als Abstandhalter wurde daher ein Edelstahlprofil mit den Maßen v = 15 mm und t = 10 mm gewählt. Die Klebefugenhöhe der primären Funktionszone beträgt ca. r = 8 mm. Daraus ergibt sich ein Scheibenhohlraum und eine Dicke der Nebenfunktionszone von d = 23 mm. Die erforderliche Höhe des sekundären Funktionstests wurde mit u = 48 mm berechnet.

3.1. Prüflinge und Herstellungsverfahren

Um den geplanten Randverbund zu testen, wurden Bauteiltests an Mock-ups durchgeführt. Unter Berücksichtigung von Handhabung und Wirtschaftlichkeit sollten diese kleiner als die eigentlichen Fassadenelemente sein, gleichzeitig aber das Bauwerk möglichst realistisch abbilden. Daher wurde ein 1:2-Format gewählt, also Plattenmaße von h= 1500 mm und b = 635 mm. Dadurch kann auch auf die Vakuumtechnik verzichtet werden, da die Mock-ups im gefüllten Zustand einen maximalen hydrostatischen Druck von ph≈ 15 kN/m2 erreichen und somit die untere Hälfte des Fassadenelements darstellen (Abbildung 6). Da der Schwerpunkt auf der Untersuchung des geklebten Randverbundes liegt, wird der Randverbund in Originalgröße realisiert. Um die Belastungen des Randverbundes gleich zu halten, wird der Glasaufbau entsprechend skaliert, sodass durch die Verformung der Glasscheibe die berechneten Verwindungen im Randverbund denen in Originalgröße entsprechen. Das Ergebnis ist ein Glasaufbau aus Verbundsicherheitsglas aus 2 x 5 mm TVG.

Die Herstellung der Mock-ups erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird der Kleber Sikasil® AS-785 (Hauptfunktionszone) raupenförmig auf den vorgefertigten Abstandsrahmen aufgetragen. Der Kleber wird aus Doppelkartuschen aufgetragen. Unmittelbar danach wird überschüssiger Kleber mit Hilfe einer Schablone aus Polytetrafluorethylen (PTFE) entfernt. Dadurch soll insbesondere verhindert werden, dass überschüssiger Kleber in den Scheibenhohlraum überläuft. Abb. 7a zeigt beide Arbeitsschritte. Anschließend wird der Rahmen auf der Glasscheibe positioniert und angedrückt. Nach dem Aushärten des Klebers wird der Arbeitsschritt auf der Rückseite des Abstandhalters wiederholt. Das Eigengewicht der zweiten Scheibe reicht aus, um den Anpressdruck zu erzeugen. Es ist darauf zu achten, dass die gewünschte Klebefugenhöhe eingehalten wird. Hierzu werden Abstandshalter zwischen den Glasscheiben verwendet (Abb. 7b).

Bevor mit dem Auftragen der sekundären Funktionszone fortgefahren wird, lässt man den Klebstoff der primären Funktionszone 24 Stunden lang aushärten. Anschließend wird der verbleibende Hohlraum zwischen den beiden Glasscheiben mit dem Kleber Sikasil® SG-550 ausgefüllt (sekundäre Funktionszone). Der Kleber liegt ausschließlich in Hobbock-Form vor und wird mit Hilfe einer Anlage entsprechend verarbeitet. Anschließend wird der Kleber von der Glaskante entfernt, um ein ebenes Oberflächenbild zu erzielen (Abb. 7c). Pro langer Glaskante bleiben zwei Taschen frei vom Kleber. Sie dienen später als Angriffspunkt für mechanische Klemmen (Abb. 7d).

An einer der kurzen Seiten sind im Edelstahlrahmen zwei Durchlässe angebracht, um das spätere Befüllen der Mock-ups zu ermöglichen. In diese wird ein rundes Hohlprofil eingesetzt, das als Aussparungen in der Nebenfunktionszone dient.

3.2. Testprogramm

Für das Fassadenelement sind verschiedene Belastungen denkbar, die im Folgenden aufgeführt sind. Für die Bemessung der Windlasten wurde ein Beispielgebäude mit den Abmessungen 40 m x 20 m x 35 m in der Windlastzone 1, Binnenland, und einer Tragfläche von 4 m² angenommen (DIN EN 1991-1-4; DIN EN 1991). -1-4/NA).

A. Hydrostatischer Druck: ph≈ 15 kN/m²b. Vakuumversagen: ph≈ 30 kN/m²c. Winddruck: wp≈ 0,76kN/m²d. Windsog: ws≈ −1,14 kN/m² e. Holmlast: qh≈ 1 kN/mf. Schlagkraft: m = 50 kg, h = 900 mmg. Glasbruch: VSG eine Scheibe einseitig, VSG eine Scheibe beidseitig.

Für die Auswahl der relevanten Lastkombinationen sind die Lastrichtungen entscheidend. Der hydrostatische Druck (a und b) wirkt von innen nach außen und übt somit eine Zugbelastung auf den Randverbund aus. Ein Winddruck (c) drückt von außen auf die Scheibe und damit auf den Randverbund. Ein Windsog (d) zieht von außen an der Scheibe und verstärkt so die Zugbelastung auf den geklebten Randverbund. Die linienförmige Holmlast (e) drückt auch von außen auf die Verglasung. Während es bei gasgefüllten Isolierverglasungen aufgrund des hermetisch abgeschlossenen Scheibenhohlraums zu einer Kopplung der Scheiben kommt, gleicht die Vakuumtechnik diese Drücke durch eine eigenständige Regelung aus. Dementsprechend können Belastungen, die der angegebenen hydrostatischen Belastung entgegenwirken, vernachlässigt werden. Dennoch sind Stoßbelastungen (f) aufgrund der besonderen Belastungsart zu untersuchen und zusammen mit Glasbruch (g) als Abschluss der Bauteilversuche einzuplanen.

In dieser Arbeit werden die Tests unter charakteristischer Belastung und unter Auslegungslast vorgestellt. Das gesamte Prüfprogramm ist so aufgebaut, dass die Belastungen schrittweise gesteigert werden. Dementsprechend werden die Prüfungen zunächst unter charakteristischer Belastung und dann unter Auslegungslast durchgeführt. Auch innerhalb der Tests wird die Belastung stufenweise erhöht. Zunächst werden die Mock-ups mit Flüssigkeit gefüllt (a). Anschließend wird der Windsog angelegt (d). In der nächsten Belastungsstufe wird mit Hilfe einer zusätzlichen Wassersäule (b) ein Vakuumversagen simuliert und abschließend erneut der Windsog (d) unter erhöhter hydrostatischer Belastung auf das Fassadenelement (b) aufgebracht. Zwischen jedem Lastfall bzw. jeder Lastfallkombination liegt eine Ruhezeit von 24 Stunden. Abb. 8 zeigt das Testprogramm.

Für die Tests werden die Mock-ups nebeneinander auf einem Prüfstand für Vorhangfassaden montiert. Hierzu wird ein Holzrahmen verwendet, der im Test die Unterkonstruktion auf der Innenseite der Fassade nachbildet. Die Scheiben werden mittels örtlicher mechanischer Klemmen gegen den Rahmen gedrückt. Abgesehen vom Eigengewicht, das über eine zusätzliche Querstrebe abgetragen wird, sind die Glaskanten an der Fassadenaußenseite frei. Bei der Prüfung ist die Außenseite der Fassade dem Innenraum des Prüfstands für Vorhangfassaden zugewandt, da von dieser Seite Winddruck- und Windsoglasten einwirken. Die Bezeichnungen innen und außen beziehen sich daher auf den Einbau in die tatsächliche Fassade und nicht auf den Einbauzustand im Prüfstand für Vorhangfassaden.

Der Bereich zwischen den Modellen und dem Prüfstand für Vorhangfassaden ist luftdicht verschlossen, um Druckverluste zu vermeiden. Wegaufnehmer messen die Verformungen an der Glasoberfläche. Gemessen wird in der Scheibenmitte auf der Vorder- und Rückseite (MPos1: x = 317,5, y = 750) sowie an der Stelle der rechnerisch größten Verformung (MPos2: x = 317,5, y = 600). Auf der Außenseite der Fassade wird die Verformung auch am Übergang zwischen Randverbund und Scheibenhohlraum gemessen. Sowohl auf der Höhe der maximalen Verformung (MPos3: x = 65, y = 600) als auch in der Mitte der Unterkante (MPos4: x = 317,5, y = 65). Zusätzlich werden Wegaufnehmer in der Mitte der Rahmenpfosten platziert, um die Nachgiebigkeit des Systems abzuschätzen.

An jedem Modell führen zwei Schläuche senkrecht nach oben und enden in einer Höhe von 1,5 m über der Oberkante des Modells auf einer Plattform in Bechern. Über das Schlauchsystem kann zusätzlicher hydrostatischer Druck erzeugt werden. Ein Schlauch dient zum Befüllen, der andere zum Entlüften. Aufgrund ihrer im Vergleich zum Schlauch großen Wasseroberfläche unterstützen die Becher die konstante Wassersäulenhöhe im Stressfall „Vakuumausfall“. Zu Testzwecken wird reines Wasser verwendet. Darüber hinaus ist kein Unterschied zwischen der Verwendung von reinem Wasser und Wasser-Ethylenglykol hinsichtlich der Tragfähigkeit und des Verformungsverhaltens des verklebten Randverbundes zu erwarten.

Die durch die Fassadentestwand aufgebrachte Windlast wird in Schritten von 100 Pa erhöht. Jede Laststufe wird eine Minute lang gehalten, bevor die Last weiter erhöht wird. Der Zielwert wird fünf Minuten lang gehalten.

3.3. Testergebnisse

Die Ergebnisse werden beispielhaft für die maximale Belastungsstufe dargestellt: Eine Kombination aus Windlast und Vakuumausfall. Für die Bemessungslast wird für die Windlast bei kurzzeitiger Belastung ein Teilsicherheitsbeiwert von γ = 1,5 angesetzt. Die resultierende maximale Windlast von ws≈ −1,71 kN/m² wird auf ws = −1,8 kN/m² aufgerundet. Bei hydrostatischem Überdruck entfällt eine zusätzliche Sicherheit, da der Lastfall „Vakuumausfall“ bereits eine zusätzliche Sicherheit darstellt.

Bild 10 zeigt das Zeit-Verformungsdiagramm für die oben genannte Lastfallkombination am Beispiel des Mittelwerts der drei Prüfkörper. Die Vorzeichendefinition orientiert sich an der DIN 18008-2 (Bild A.1), wobei alle in Gebäudeinnenrichtung liegenden Verformungen als positiv definiert werden. Darüber hinaus wird auch die gesamte Rahmenverformung angezeigt. Der Gradient des Lastanstiegs ist gut zu erkennen. Da die Verglasung bereits gefüllt ist und der hydrostatische Druck wirkt, ist die Verglasung zum Startzeitpunkt bereits vorverformt. Gleichzeitig haben die Mock-ups bereits das gesamte Testprogramm durchlaufen. Dabei kann es zu irreversiblen Verformungen gekommen sein.

Erwartungsgemäß ist die Verformung in der Scheibenmitte (MPos1) geringer als an der Stelle mit der größten berechneten Verformung (MPos2). Auf der Innenseite der Fassade verringert sich der Unterschied jedoch mit zunehmender Windlast, kehrt aber nach Entlastung der Windlast wieder in gleichem Maße zurück. Auf der Innenseite der Fassade wurde durch die Überlagerung von hydrostatischem Druck und Windsog an MPos1A der Ausgangszustand (0 mm Verformung) nahezu vollständig wiederhergestellt. Auffällig ist der Verformungszustand an den Messpositionen am Rand (MPos3 und MPos4). Während MPos4 (Randbereich kurze Seite) im Vergleich zu MPos3 (Randbereich lange Seite) eine sehr geringe Vorverformung durch den hydrostatischen Druck aufweist, nimmt die Verformung bei MPos3 synchron zur Rahmenverformung zu. Die Verformung bei MPos4 hingegen wird deutlich weniger von der Windlast beeinflusst.

Die Bauteiltests werden numerisch simuliert und die Ergebnisse mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) validiert. Zum Einsatz kommt die RFEM-Software. Der Kantenverbund wird in seinen einzelnen Komponenten aus zwei Funktionszonen und dem Edelstahlprofil nachgebildet. Anstelle der Implementierung von 3D-Volumenelementen wird ein Stabmodell verwendet. Dadurch kann die benötigte Rechenleistung reduziert werden. Der Randverbund wird in regelmäßige Abstände unterteilt und beide Funktionszonen werden als Einzelstäbe modelliert. Der Querschnitt der Leiste ergibt sich aus der Größe der Klebefuge. Der Abstandshalter aus dem Edelstahl-Hohlprofil setzt sich aus Flächenelementen zusammen. Die primäre Funktionszone wird aus Federstäben modelliert. Diese ermöglichen die Eingabe nichtlinearer Materialeigenschaften, die aufgrund der zu erwartenden Verformungen der Funktionszone wesentlich zur realistischen Modellierung beitragen.

Eine besondere Herausforderung ist die Modellierung des Scherverbundes im Verbundsicherheitsglas. Dies ist stark abhängig von Temperatur und Belastungsdauer. Hohe Temperaturen erweichen das Zwischenmaterial und verringern das Verbundtragverhalten. Das Gleiche gilt auch für Langzeitbelastungen, da Verbundfolien mit der Zeit zu kriechen beginnen. Eine Verringerung der Verbundtragwirkung erhöht die Blechverformung. Bei der Berechnung wird üblicherweise zwischen vollständigem Verbundverhalten und keinem Verbundverhalten unterschieden. Für die Berechnung eines Vollverbundverhaltens wird der Scheibenaufbau als monolithischer Glasaufbau betrachtet. Für die Berechnung der Verformung ohne Verklebung wird üblicherweise eine ideale äquivalente Dicke d* angenommen, vergleiche (Engelmann et al. 2013). Berechnungen zeigen, dass das tatsächliche zusammengesetzte Verhalten zwischen beiden Fällen liegt, vergleiche (Krampe et al. 2013). In der hier vorgestellten FE-Analyse wurden für beide Fälle auch die Verformungen berechnet.

Der Ansatz mit der äquivalenten Dicke d* ohne Komposit wurde jedoch aufgrund der hohen Abweichungen verworfen. Aus diesem Grund wurde eine dritte Methode untersucht, die von einem Teilverbund ausgeht. Hierzu wurde eine separate Berechnung in der FE-Software für den konstruktiven Glasbau (SJ Mepla) durchgeführt, die eine genaue Simulation des Verbundsicherheitsglasaufbaus ermöglicht. Die PVB-Folie wird mit einem aus der Literatur berechneten Schermodul der Bemessungslast von 0,28 modelliert, der die Zeit- und Temperaturabhängigkeit widerspiegelt (Dauer: 1 Tag; Temperatur: 20 °C) (Sackmann 2007). Die durch Aufbringen einer Last entstehende Verformung kann in der RFEM-Software mit einer monolithischen Glasscheibe verglichen und eine äquivalente Dicke d** ermittelt werden, die der gleichen Verformung unter gleichen Randbedingungen entspricht.

Die vier mechanischen Klemmen, die die Scheibe gegen den Rahmen drücken, werden durch Federlager dargestellt. Die Federsteifigkeit wird entsprechend der Flexibilität des Holzrahmens aus den experimentellen Untersuchungen definiert. Dies ist insbesondere für die Vergleichbarkeit des Windlastfalls wichtig. Die Abstützung am unteren Rand, die zur Aufnahme des Eigengewichts dient, wird durch Gelenklager dargestellt. Zusätzlich sind an einer der langen Glaskanten zwei Federlager angebracht, die in horizontaler Richtung wirken. Die Federn haben eine geringe Steifigkeit und dienen nur der statischen Bestimmung des Systems. Der hydrostatische Druck wirkt in Form einer dreieckigen Flächenlast auf beide Scheiben. Für den Lastfall „Vakuumversagen“ wird ein trapezförmiges Lastmuster angewendet. Der Windsog wirkt als gleichmäßige Flächenlast. Neben der Gesamtverformung und der Spannungsverteilung werden spezielle Punkte für die Berechnung vorgegeben (Abb. 11). Mithilfe dieser können die numerischen Ergebnisse direkt mit denen aus den experimentellen Bauteilversuchen verglichen werden.

Die Ergebnisse werden in Form der Verformung an den vier Messpositionen an der Außenseite der Fassade angegeben, Tabelle 1. Es werden alle vier Lastfälle unter der Bemessungslast aufgeführt. Die Ergebnisse der numerischen Berechnung für die Annahme eines Vollverbundes und des Teilverbundes mit der äquivalenten Dicke d** werden mit den tatsächlichen Werten aus den experimentellen Versuchen verglichen.

Tabelle 1: Vergleich der Ergebnisse der experimentellen Tests mit denen der FEM. Verglichen werden die Ergebnisse des durchschnittlichen Mock-Ups unter Designlast.

Im hydrostatischen Drucklastfall sind die Verformungen gering. Die tatsächlich gemessene Verformung kommt der Annahme eines Vollverbundes näher als der Annahme eines Teilverbundes. Das Modell ist in der Lage, den Lastfall gut darzustellen. Erwartungsgemäß führt die zusätzliche Windlast zu einer erhöhten Verformung. Hier liegen die Ergebnisse der FEM unter der Annahme eines Teilverbundes näher an den Ergebnissen der experimentellen Untersuchung. Lediglich am Messpunkt MPos4 (Randbereich kurze Seite) ist die Abweichung höher. Zumal allein an dieser Messposition die tatsächliche Verformung höher ist als die berechnete Verformung.

Im Lastfall Vakuumversagen zeigt sich erneut ein starker Unterschied zwischen der berechneten Verformung unter Annahme von Vollverbundverhalten und der Annahme von Teilverbundverhalten. Allerdings gibt die berechnete Verformung unter der Annahme eines vollständigen Verbundwerkstoffs die experimentellen Ergebnisse gut wieder. Gleiches gilt, wenn zusätzlich eine Windlast einwirkt. Die berechnete Verformung unter der Annahme eines Vollverbundes gibt die experimentell ermittelte Verformung gut wieder. Erst an der Messposition MPos4 übersteigt die tatsächliche Verformung wieder die berechneten Werte.

Der gewählte Versuchsaufbau sowie die Versuchsdurchführung zeigen zuverlässige Ergebnisse, die eine Abschätzung der Funktionalität des Randverbundes ermöglichen. Auch die Abbildung der Ergebnisse mittels FEM kann als gelungen gewertet werden. Die tatsächlichen Verformungen können zwischen den Berechnungen unter der Annahme eines vollständigen Verbundverhaltens und eines teilweisen Verbundverhaltens ermittelt werden. Um auf der sicheren Seite zu sein, sollte für zukünftige Konstruktionen das Modell unter Annahme eines Teilverbundes verwendet werden. Für die Darstellung realitätsnaher Ergebnisse, beispielsweise für die weitere Versuchsplanung, sind die Berechnungen unter Annahme eines Vollverbundes die bessere Wahl. Bei der Berechnung sollten nur die Ergebnisse an der Messposition MPos4 berücksichtigt werden. Gegebenenfalls sollten die Lagerbedingungen am unteren Rand der Platte neu definiert werden.

Messfehler im Versuchsdurchgang können an dieser Stelle weitgehend ausgeschlossen werden. Einerseits wurde die Messausrüstung überprüft, andererseits zeigen die beiden anderen Mock-ups ähnliche Ergebnisse. Hinsichtlich des Nachweises der Tragfähigkeit des Randverbundes lassen die Bauteilprüfungen zum jetzigen Stand keine verlässliche Aussage zu, da der Prüfumfang mit drei Prüfkörpern für eine statistische Auswertung zu gering ist. Es bleibt zu diskutieren, ob dies durch ein validiertes FE-Modell entfallen kann oder ob die Tests mit einem erhöhten Testumfang und höheren Belastungsniveaus untersucht werden sollten.

In jedem Fall bieten die numerischen Berechnungen die Möglichkeit, die Belastbarkeit der Klebeverbindung abzuschätzen. Die berechnete Spannung in der sekundären Funktionszone beträgt σ = 0,13 N/mm² für die Lastkombination Vakuumversagen und Wind. Hier wird die charakteristische Belastung ermittelt, um die Belastbarkeit des Klebstoffes nach dem deterministischen Sicherheitskonzept gemäß ETAG 002-1 ermitteln zu können. Bei einer Bemessungszugfestigkeit von σD = 0,2 N/mm², die alle Materialsicherheitsfaktoren berücksichtigt, wird das SG-550 zu 65 % ausgenutzt.

Die hier vorgestellten Versuche lassen große Hoffnung aufkommen, dass flüssigkeitsgefüllte Isolierverglasungen mit rahmenlosem, verklebtem Randverbund in Zukunft realisierbar sein könnten. Das neu entwickelte, zweistufige Randabdichtungsdesign hat sich in den experimentellen Tests bewährt. Die numerischen Berechnungen erlauben eine hinreichend genaue Vorhersage des Verformungsverhaltens und der Gestaltung weiterer Fassadenelemente. Neben den geplanten Langzeittests an den hier vorgestellten Mock-ups und den Versagenstests werden auch großmaßstäbliche experimentelle Untersuchungen als sinnvoll erachtet. Diese ermöglichen auch eine Bewertung des hier vorgestellten Testaufbaus und könnten bei erfolgreicher Verifizierung den Testaufwand zukünftiger Tests eindämmen, ohne an Zuverlässigkeit zu verlieren.

Die Studie ist ein Ergebnis des im Rahmen des KLEBTECH-Netzwerks durch das Zentrale Innovationsprogramm (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojekts „fluidIGU“. Besonderer Dank gilt den Projektpartnern Bollinger + Grohmann Ingenieure und ADCO Technik GmbH für die gute Zusammenarbeit und technische Unterstützung.

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Dieses Papier wurde im Rahmen einer Sondersitzung vorgestellt, die auf der Challenging Glass Conference 8 von der CertBond Cost Action CA18120 „Zuverlässige Roadmap für die Zertifizierung geklebter Primärstrukturen“ organisiert wurde.