Bemessung von SSG Klebfugen. FKG-Symposium, in Würzburg

Transkript

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2 Vorstellung Herz-Jesu Kirche, München 10 kn Prüfmaschine, Videoextensiometer 2-achsig A. Hagl Ingenieurgesellschaft Tragwerksplanung (1988) Schwerpunkt ursprünglich Stahl- und Stahlbetonbau Ab ca auch Glasbau Beschäftigung mit Klebtechnik ab 1998 (Herz-Jesu-Kirche) 2002 Gründung und Leitung des AK Kleben innerhalb des FKG Anregung diverser Forschungsaktivitäten zur Klebtechnik im Bauwesen Test+Ing-Material Materialprüfung (2008) Versuchsdurchführung an Klebstoffen und Verklebungen (Zug, Druck, Schub, zyklische Belastung) Forschung zur Klebtechnik und Klebstoffen Berechnung von komplexen Silikon- Klebfugen auf der Basis eigens erstellter Werkstoffgesetze Begleitung / Organisation von ZiE s aus dem Bereich Glas- und Klebtechnik Monitoring von Fassaden und SSG Konstruktionen 2

3 Gliederung 1. Derzeitiger Stand der Bemessungsvorschriften 2. Neuer Ansatz mit Vergleichsspannungen 3. Bemessung auf der Basis von FEM 4. Bemessungsgrafiken für linienförmige Verklebungen 5. Zusammenfassung 3

4 Auslegungsspannung nach ETAG Derzeitiger Stand der Bemessungsvorschriften Ermittlung erfolgt an einem Prüfkörper, der einen Abschnitt einer linienförmigen Verklebung repräsentiert, jedoch: 12 mm Deutliche Einschnürung des Silikonmaterials unter Zug Inhomogene Werkstoffbeanspruchung innerhalb des Silikons wegen Querkontraktionsbehinderung an den Fügepartnern (insbesondere an Ecken) 12 mm 50 mm Silikonverklebung Glas 50 mm Medium 2 4

5 Einschränkung der Anwendung der ETAG 1. Derzeitiger Stand der Bemessungsvorschriften Starke Vereinfachung der Bemessungsformel Grobe Idealisierung der Klebefuge als Linienlager Charakterisierung der Materialeigenschaften lediglich durch zulässigen Spannungswert Für allgemeine Anwendungen als tragende Verklebung (z. B. punktuelle Verklebung) ungeeignet, da stark idealisierte Lastabtragung Für komplexe Verklebungsgeometrien mit lokaler mehrdimensionaler Beanspruchung (z. B. U-förmige Verklebung) ungeeignet, da Abbildung mehrdimensionaler Spannungszustände auf zulässige Spannung nicht möglich Beachte: ETAG 002 schließt dreiseitige Verklebungen ausdrücklich aus. 5

6 Bemessungsvorschrift... aber! 1. Derzeitiger Stand der Bemessungsvorschriften Nach ETAG 002, Anhang 2 Rechenverfahren A.2.0 Einleitung: Dennoch kann ein Antragsteller ein anderes Rechenverfahren vorlegen, das auf Simulationsversuchen oder Forschungsergebnissen basiert. Um es der Zulassungsstelle zu erlauben, eine ETA auf Grundlage eines solchen Rechenverfahrens zu erteilen, müssen vollständige Nachweise geliefert werden. Die später vorgestellten Berechnungen basieren auf Forschungsergebnissen. Damit kann im Vorfeld von Bauteilversuchen die Tragfähigkeit einer Klebverbindung berechnet werden. 6

7 Nachweis einer Klebfuge auf der Basis von Versuchen - bisher 1. Derzeitiger Stand der Bemessungsvorschriften Edelstahl - C -Profil Bolzen M6 Verklebung DC 993 Dow Corning Glasschwert 10 / 15 / 10 mm Last - kn Versagen = Maximale Zugkraft max Z Bemessung über statistische Auswertung (Ru5) Bruchlast / Sicherheitsbeiwert Verformung - mm 7

8 Spannungs-Dehnungslinien für unterschiedliche Werkstoffe 2. Neuer Ansatz mit Vergleichsspannungen Glas Beton Holz Stahl S 235 8

9 2. Neuer Ansatz mit Vergleichsspannungen Konventionelle Testverfahren Abruptes Bruchverhalten von Silikonelastomeren ("spröde") Großer Einfluss der Randbedingungen auf Grund geringer E-Modul große Querkontraktionszahl ( 0,5; d. h. nahezu inkompressibel) Bruchverhalten Dogbone Test nicht repräsentativ für technische Anwendungen H-Prüfkörper ETAG ebenfalls wenig repräsentativ für beliebige Klebfugen-Geometrien und Ermittlung von Werkstoff-Kenndaten Ingenieurspannung [N/mm²] ETAG H S pecimen Dog bone Ingenieurdehnung Engineering Strain [ ] [ ]

10 2. Neuer Ansatz mit Vergleichsspannungen Last [N] Bruchverhalten verschiedener Verklebungsgeometrien Verformung [mm] Design - Niveau Funktionsfähige Verklebung Mikrorisse im Klebstoff bei ansteigender Belastung Makrorisse entstehen und führen zum Versagen Ähnliches "Fließ"- Verhalten für Silikon unter Querkontraktionsbehinderung unter Zugbelastung Deutlicher Abfall der Steifigkeit bei bestimmtem Lastniveau Ähnliches Spannungsniveau für maximale Hauptspannung für verschiedene Geometrien bei Design-Niveau Dargestellte Last- und Spannungsniveaus für untersuchten 2K-Werkstoff 0 Verformung [mm] Neuer Lastpfad über Schub in den Flanken 10

11 Bemessung beliebiger Klebfugengeometrien 3. Bemessung auf der Basis von FEM Beispiel: Vorteile: Statt gebohrter Halter Solarpaneel für eine Fassade - keine Glasbohrungen - geringere Glassdicke erforderlich Bei Ansatz des hyperelastischen Werkstoffgesetzes auf der Basis von Werkstoffversuchen beginnt die Schädigung des untersuchten Klebstoffes bei 2,0 N/mm². Da bekannt ist, dass vor allem an der freien Klebstoffkante Schädigungen durch Umwelteinflüsse auftreten können, wird empfohlen bei komplexeren Verklebungsgeometrien einen geringfügig erhöhten Sicherheitsbeiwert für die äußeren 10 mm einer Verklebung anzusetzen. Maximale Hauptspannung in der Klebfuge geklebte Lösung 11

12 4. Bemessungsgrafiken für linienförmige Verklebungen Typ U0 linienförmige Lasteinleitung Spannungsverteilung in U-Verklebungen Vergleich von verschiedenen Lasteinleitungsgeometrien zeigt, dass die Spannungsverteilung maßgeblich von der Geometrie der Lasteinleitung und dem Randeinfluss abhängig ist. Je größer der Bereich hoher Spannungen, je mehr Last kann aufgenommen werden für vorgegebene Maximalwerte der Hauptspannungen (hier 2,0 N/mm² für den untersuchten Klebstoff). L/2 = 50 mm Typ U1 Typ U2 n Typ U

13 4. Bemessungsgrafiken für linienförmige Verklebungen Streckenlast [N/mm] Tragvermögen verschiedener Lasteinleitungen Typ U Freie Ränder der Klebfuge ermöglichen Einschnüren der Verklebung U0 U1 U halbe Länge [mm] U3 Das Tragvermögen wird durch die Anschlussgeometrie bestimmt: U0: Konvergiert zum ebnen Dehnungszustand für lange Verklebungen U1- U3: konvergiert zu 0 für lange Verklebungen 13

14 4. Bemessungsgrafiken für linienförmige Verklebungen Streckenlast [N/mm] z. B. Bemessungsdiagramm Typ U1a, 3 x 12, d A = 5 mm Für mittleren Bereich der Klebfuge Einschnüren der Verklebung ist unterdrückt N/mm mitwirkende Breite geschätzt mit 30 cm Halbe Länge [mm]

15 4. Bemessungsgrafiken für linienförmige Verklebungen z. B. - Nachweis Anschluss horizontales Glasschwert 1,8 kn = 1800 N Lastübertragung nur horizontal 150 mm 150 mm Anschluss Typ U1a Erwartete Belastbarkeit - Kurzzeitlast: F EB = 2 x 150 x 45 = N / 6 = N = 2,25 kn > 1,8 kn Sicherheitsbeiwert nach ETAG 15

16 Zusammenfassung und Ausblick Zug üblicherweise kritisch für Klebverbindungen mit Silikon Schub kann näherungsweise über klassische Schubformeln abgedeckt werden 5. Zusammenfassung Unterschiedliches Verhalten : "sprödes" Verhalten bei Dogbone-Tests "Fließ -ähnliches Verhalten bei starker Querkontraktionsbehinderung In Versuchen ähnliche Spannungsniveaus für "Fließ"-Beginn (= Design-Niveau) festgestellt für maximale Hauptspannungen Anwendung von modernen Rechenverfahren (z. B. nichtlineare FEM) ermöglicht gezielte Optimierung von geklebten Konstruktionen Anwendung von FEM auf parametrisierte Verklebungsgeometrien erlaubt Erstellung von Auslegungsdiagrammen für vereinfachte praxisgerechte Dimensionierung Erweiterung für transparenten Hochleistungs-Silikonklebstoff in Bearbeitung 16

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