Integrierte Anschlüsse für Glas

Mar 27, 2023

Datum: 19. Oktober 2022

Autoren: Julian Hänig & Bernhard Weller

Quelle: Glasstrukturen und Ingenieurwesen | https://doi.org/10.1007/s40940-022-00174-0

Der Wunsch von Bauherren und Architekten nach maximaler Transparenz und homogenen Oberflächen bei Glasfassaden und Glaskonstruktionen erstreckt sich auch auf Ganzglasanwendungen im Innenbereich wie Glastrennwände oder Ganzglastüren. Bei herkömmlichen Glassystemen werden die Verbindungen durch auffällige Beschläge und Klemmdetails hergestellt, die die Transparenz verringern und die Ästhetik stören. Neuartige Glas-Kunststoff-Verbundplatten weisen durch die Zusammensetzung aus einem Polymer-Polymethylmethacrylat (PMMA)-Zwischenschichtkern und Deckschichten aus Dünnglas ein deutlich reduziertes Eigengewicht auf.

Die innovativen Verbundwerkstoffe weisen eine hohe strukturelle Leistung mit optischen Eigenschaften von herkömmlichem Glas auf. Die Platten ermöglichen eine direkte Verbindung in den dicken PMMA-Zwischenschichtkern mit der Tragkonstruktion oder anderen Platten. Ein solches integriertes Verbindungsdesign reduziert Spannungskonzentrationen und ermöglicht die Entwicklung kleiner und unauffälliger Armaturen. Es wurden verschiedene integrierte Verbindungen für die Glas-Kunststoff-Verbundplatten entworfen und untersucht. In diesem Artikel wird eine experimentelle Studie zu verschiedenen Verbindungen, beispielsweise mechanisch befestigt und klebend integriert, vorgestellt, die unter Zugbelastung getestet wurden. Anhand von Videoanalysen werden Rissverläufe und Versagensmechanismen ausführlich bewertet und diskutiert.

Die Tests untersuchen Temperatureffekte sowie den Einfluss der Zwischenschichtkerndicke und der Glasart der Deckschichten bei unterschiedlichen Aufbauten. Die umfassende Bewertung umfasst eine Beschreibung des mechanischen Tragverhaltens in Form von Last-Weg-Diagrammen sowie eine Untersuchung des Rissverlaufs und der Versagensmechanismen für die abschließende Beurteilung. Die Ergebnisse dieser experimentellen Studie klären die strukturellen Eigenschaften integrierter Verbindungen in Glas-Kunststoff-Verbundplatten unter Zugbelastung auf und stellen eine Grundlage für die Weiterentwicklung realer Anwendungsbeschläge dar.

Motivation und Stand der Technik

Sowohl eine hohe Transparenz als auch ein wirtschaftliches Design durch Gewichtsreduzierung werden in den aktuellen Designtrends zunehmend zu einem gefragten Merkmal. Designer und Ingenieure konzentrieren sich auf leichte Glasfassaden, Glaskonstruktionen und Ganzglassysteme im Innenbereich. Glas ist bekanntermaßen ein sprödes Material. Es reagiert sehr empfindlich auf Spannungskonzentrationen, die vor allem bei herkömmlichen Punktverbindungen wie Bolzen oder Klemmen auftreten. Darüber hinaus verstärken die erforderliche mechanische Bohrung und die begrenzte Fläche zur Kraftübertragung entscheidende Spannungskonzentrationen, die zu relativ großen und aufdringlichen Verbindungen führen. Dies motiviert dazu, neuartige kleine und unauffällige Verbindungen mit einem effizienten materialspezifischen Design zu entwickeln, um den Anforderungen hoher Transparenz und Ressourceneffizienz in Glasstrukturen gerecht zu werden.

In den letzten Jahrzehnten haben sich zahlreiche Klebeverbindungsarten als Alternative zu mechanischen Verbindungen herausgebildet (Centelles et al. 2019). Durch die Verklebung mit strukturellen Polymerklebstoffen werden Spannungskonzentrationen im Glas reduziert und ein hocheffizientes Verbindungsdesign erreicht. Transparente, steife Strukturklebstoffe wie Acryle, Epoxide und Polyurethane wurden für kleine Punktverbindungen in verschiedenen Arbeiten untersucht (Dispersyn et al. 2014; Dispersyn und Belis 2016; Kothe et al. 2016; Tasche 2007; Van Lancker et al. 2016; Vogt 2009; Wünsch 2017).

Flexiblere Struktursilikone werden häufig für lineare Träger von Structural Sealant Glazing-Fassaden verwendet, aber auch in relativ steifer und transparenter Ausführung für Punktträger (Drass, 2020). Metall-Glas-Laminatverbindungen mit unterschiedlichen Zwischenschichtfolien erzielten je nach Zwischenschichtmaterial hohe Tragfähigkeiten (Ioannidou-Kati et al. 2018; Louter und Santarsiero 2019; Santarsiero et al. 2017). Umgekehrt beeinflussen künstliche Alterung und Temperaturänderungen die Eigenschaften der untersuchten thermoplastischen Polymere erheblich. Deshalb bestehen die Kommunen bei den meisten Klebeverbindungen im Bauwesen noch immer auf kostenintensiven und aufwändigen Genehmigungen.

Ebenso wurden eingebettete laminierte Verbindungen in mehreren Arbeiten untersucht (Bedon und Santarsiero 2018; Carvallo, 2014; Feirabend 2010; Neugebauer 2005; Puller 2012; Santarsiero et al. 2017, 2018; Volakos et al. 2021; Zangenberg et al. 2012). . Bei der Verbindungstechnik handelt es sich um eine Metalleinlage, die durch Laminieren mit einer Strukturfolie, einem Kleber oder einem Gießharz zwischen einem mehrlagigen Glaselement eingekapselt wird. Dies reduziert Spannungskonzentrationen und führt zu einem unauffälligen integrierten Verbindungsdesign. Je nach Größe und struktureller Zwischenschichtart weisen diese eingebetteten Verbindungen relativ hohe Tragfähigkeiten auf. Die Forschung zu eingebetteten Verbindungen kann in dünne (Abb. 1a und b) und dicke (Abb. 1c und d) Einsatzkonfigurationen unterteilt werden. Dünne Einsätze sind nur zwischen zwei Glasschichten eingeschlossen, während dicke Einsätze zur Integration drei oder mehr Glasschichten erfordern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Idee integrierter Verbindungen mittels Metalleinsätzen in Verbundglas anwendbar ist und bereits in realen Projekten erfolgreich umgesetzt wurde (O'Callaghan 2007, 2012; Schieber et al. 2021; Torres et al. 2017; Willareth und Meyer). 2011). Allerdings begrenzt die relativ geringe Dicke der Zwischenschichtfolie von 0,38 bis 2,28 mm die maximale Dicke der Einlage, da beide Seiten zwischen zwei Glaslagen laminiert werden müssen. Erste Untersuchungen in (Volakos et al. 2021) mit einem Gießharz auf Polyurethanbasis wurden mit einer Zwischenschichtdicke von 6 mm durchgeführt. Gießharze ermöglichen eine dickere Insert-Integration im Vergleich zu herkömmlichen Zwischenschichtfolien (Volakos et al. 2021). Die dicken eingebetteten Verbindungen erfordern mindestens drei Glasschichten. Dies führt zu einem erheblichen Eigengewicht des Glaslaminats, was seine Anwendung auf großflächige Glaskonstruktionen einschränkt.

Glas-Kunststoff-Verbundplatten

Neuartige Glas-Kunststoff-Verbundplatten, NEEROGLAS® genannt, bestehen aus einem steifen und transparenten PMMA-Zwischenschichtkern und dünnen Glasdeckschichten (Abb. 2). Die Paneele wurden als leichter Ersatz für das derzeitige herkömmliche monolithische Glas entwickelt. Frühere Studien der Autoren (Hänig und Weller 2020, 2021) haben die Materialeigenschaften des Zwischenschicht-Kernmaterials untersucht und das Verbundverhalten in einer Vielzahl von Verbundaufbauten bewertet.

Die Kombination von leichtem PMMA-Zwischenschichtkern mit Dünnglas zeigt eine hohe strukturelle Belastbarkeit bei reduziertem Eigengewicht – z. B. ein 8 mm/12 mm Glas-Kunststoff-Verbund mit 1 mm Glasdeckschichten zeigt eine Eigengewichtsreduzierung von 39 %/ 44 %. Gleichzeitig sorgen die Deckschichten für Kratzfestigkeit, während der Polymerkern für Duktilität sorgt. Die Verbundplatten können mit einer Zwischenschichtkerndicke von bis zu 20 mm und allen Arten von schneidbaren Glasdeckschichten hergestellt werden – vorzugsweise Dünnglas mit 0,5 bis 3 mm Dicke (Neeb 2017). Eine höhere Plattenfestigkeit kann durch die Verwendung von chemisch vorgespanntem Glas (CSG) anstelle von getempertem Glas (ANG) als Deckschicht erreicht werden.

Der PMMA-Zwischenschichtkern ist im Vergleich zu Glas widerstandsfähiger gegen Stöße und weniger empfindlich gegenüber Spannungskonzentrationen. Darüber hinaus ermöglicht PMMA die konventionelle mechanische Kantenbearbeitung wie Bohren und Fräsen sowie Polieren für eine hochwertige Endbearbeitung (Abb. 3a). Die eingebrachten Eigenschaften bieten die Möglichkeit einer direkten Anbindung an den duktilen PMMA-Zwischenschichtkern. Die Verbindung kann entweder durch eine mechanische oder eine Klebeverbindung erfolgen (Abb. 3b).

Die Glas-Kunststoff-Verbundplatten in Kombination und eine neuartige integrierte Verbindung mit ausreichender Tragfähigkeit würden eine konstruktive Lösung für innovatives Leichtbau-Glasdesign bieten. Dadurch würden neuartige Gestaltungsmöglichkeiten für Ganzglassysteme mit erhöhter Transparenz und reduziertem Eigengewicht entstehen. Erste Tests zeigten ein vielversprechendes Tragverhalten bei relativ kleinen Abmessungen. Das allgemeine Tragverhalten und die Versagensmechanismen der integrierten Verbindungen in Glas-Kunststoff-Verbundplatten wurden jedoch noch nicht in einer umfangreichen experimentellen Studie untersucht.

Da sich die Eigenschaften thermoplastischer Werkstoffe (PMMA und Polymerklebstoff) mit der Temperatur ändern (Erweichung bei steigender Temperatur), wird dadurch das Tragverhalten beeinflusst. Darüber hinaus haben der Aufbau der Verbundplatten sowie der Abstand zwischen der integrierten Verbindung und dem Glas großen Einfluss auf die Spannungsverteilung. Dies verstärkt die Notwendigkeit, die Leistung solcher strukturellen Verbindungen zu untersuchen, um unauffällige Verbindungshardware für praktische Anwendungen zu entwickeln.

Ziel und Vorgehensweise

Zunächst Abschn. 2 schlägt die integrierten Verbindungsdesigns für Glas-Kunststoff-Verbundplatten und den Probenaufbau vor. Anschließend wird in der experimentellen Prüfmethode (Abschn. 3) das quasistatische Zugtragverhalten neuartiger integrierter Verbindungen in Glas-Kunststoff-Verbundplatten untersucht. Die Anwendung ist zunächst für Ganzglassysteme im Innenbereich gedacht, bei denen hohe Transparenz auf unaufdringlich elegantes Anschlussdesign trifft. Es werden drei verschiedene Klebeverbindungsarten und eine mechanische Verbindungsart betrachtet. Ziel der Studie ist es, einen optimalen Verbindungstyp mit hoher struktureller Leistung, einfacher Montage und hoher optischer Qualität zu identifizieren.

Entsprechend dieser Parameter wurden die Verbindungstypen während der experimentellen Untersuchung reduziert. Beim quasistatischen Zugversuch wird das mechanische Tragverhalten in Kraft-Weg-Diagrammen bewertet (Abschn. 4). Dazu gehört die Untersuchung der anfänglichen Bruchfestigkeit und der maximalen Tragfähigkeit als Indikator für die Duktilität der Verbindung. Um den Rissverlauf und spezifische Versagensmechanismen zu beschreiben, wurden Videoaufzeichnungen während der Prüfung detailliert analysiert. Die vielfältigen Versuchsreihen bei unterschiedlichen Temperaturen und in wechselnden Aufbauten identifizieren die Einflussparameter auf das charakteristische Tragverhalten der unterschiedlichen Verbindungsarten. Die Ergebnisse ermöglichten vergleichende Diskussionen (Abschn. 5) zum Verhalten der Verbindungsarten unter Zugbelastung.

Die neuartigen Randverbindungen greifen mit dem PMMA-Zwischenschichtkern durch eine mechanische oder adhäsive Verbindung am Rand von Glas-Kunststoff-Verbundplatten ein. Ein äußerer Edelstahlblock dient als Verbindungsmaterial und ist mit dem PMMA-Zwischenschichtkern der Glas-Kunststoff-Verbundplatte verbunden. Sowohl in der mechanischen als auch in der Klebekonfiguration wird der PMMA-Kern so verarbeitet, dass er jedem Verbindungstyp in entsprechenden geometrischen Parametern gerecht wird. Um eine minimale optische Beeinträchtigung zu gewährleisten, wurde die Größe der Verbindung auf eine Länge von 45 mm begrenzt. Der Mindestabstand zu den Glasdeckschichten wurde bei der mechanischen Verbindung auf 1 mm und bei der Klebeverbindungsvariante auf 2 mm festgelegt. Dadurch sollen Spannungskonzentrationen im Glas durch eine ausreichende Wandstärke des PMMA für eine optimale strukturelle Leistung begrenzt werden.

Mechanische Verbindung

Die mechanische Verbindung besteht aus vier Hauptkomponenten (Abb. 4a–c): Glas-Kunststoff-Verbund, 1 mm dicker Kontaktabstandshalter aus Polyoxymethylen (POM), Edelstahlblock und zwei M4-Befestigungselementen zur drehmomentfesten Verbindung. In einem CNC-gesteuerten Verfahren wurden Befestigungselemente mit M4-Gewindeprofilen in den PMMA-Zwischenschichtkern der Glas-Kunststoff-Verbunde gebohrt. Der Zusammenbau der Proben erfolgte durch die Verbindung des Edelstahlblocks mit der Glas-Kunststoff-Verbundplatte mit zwei M4-Befestigungselementen mit einer Gewindetiefe von 17 mm. Der POM-Kontaktabstandshalter wurde zwischen Block und Plattenkante platziert, um unerwünschte Kontaktspannungen zwischen Metall und Dünnglas zu vermeiden. Das Anziehen der M4-Befestigungselemente mit einem kleinen Drehmoment von nur 0,3 Nm sichert die Bauteile, ohne die Gewinde im PMMA zu beschädigen oder nennenswerte Vorspannungen zu erzeugen.

Klebeverbindung

Die Klebeverbindungen bestehen aus vier Hauptkomponenten: Glas-Kunststoff-Verbund, 1 mm POM-Kontaktabstandshalter, Edelstahleinlage und Klebeverbindung (Abb. 5a–c). Die Edelstahleinlage wird durch den Außenblock mit der 2 mm dicken Einlegelasche gebildet, die im PMMA-Kern des Glas-Kunststoff-Verbundes eingeklebt ist. Die Glas-Kunststoff-Verbunde werden maschinell CNC-gefräst mit einem 3 mm breiten und 10 mm tiefen Profil. Seitlich angeordnete Ausrichtzapfen mit einem Durchmesser von 3 mm ermöglichen die Zentrierung der Einstecklasche innerhalb des PMMA-Zwischenlagenkerns. Die Klebefuge wurde mit einer Spaltbreite von 0,5 mm an den Seiten und 1 mm an der Unterseite zwischen den Substraten ausgelegt.

Dies ermöglicht die Anwendung einer breiten Palette von Strukturklebstoffen und bietet mehr Flexibilität an der Unterseite des Einsatzes als an den Seitenflächen. Dadurch soll eine intensivere Scherlastübertragung entlang der Seitenflächen mit größerer Fläche (2 × 43 mm x 9 mm = 774 mm2) gegenüber der auf Zug beanspruchten Bodenfläche (2 mm x 43 mm = 86 mm2) erreicht werden . Abgeschrägte und abgerundete Ecken an der Unterseite des Edelstahleinsatzes reduzieren Spannungskonzentrationen und sorgen für eine sichere Ummantelung mit Klebstoff. Nach dem Fräsen der PMMA-Verbindung wurden alle Bauteile sorgfältig mit Isopropanol gereinigt und nach vollständiger Verdunstung mit der benötigten Menge des Klebers befüllt. Anschließend wurde der Edelstahleinsatz mit dem maßgeschneiderten POM-Kontaktabstandshalter im gefrästen Profil positioniert, an Ort und Stelle gehalten und anschließend ausgehärtet.

Um die Kompatibilität mit der gewünschten Klebeverbindung zu beurteilen, wurde eine Vorstudie mit 14 verschiedenen kommerziell erhältlichen transparenten Strukturklebstoffen durchgeführt. Neben dem Wunsch nach einer weniger auffälligen Verbindung war ein optisch klares Erscheinungsbild ein entscheidender Ausgangsparameter für die Beurteilung des Klebeerfolgs. Weitere Parameter waren die Haftung zwischen Edelstahl und PMMA, Viskosität, einfache Anwendung, Art und Zeit der Aushärtung, Schrumpfung und Unvollkommenheiten nach der Aushärtung. Anschließend wurde ein reduzierter Pool lebensfähiger Klebstoffe in künstlichen Alterungsverfahren unter Sonne und Klima getestet (EN ISO 9142 2004; EN ISO 11431 2003), um die optische Langzeitstabilität der Klebstoffe im Verbund zu bewerten.

Für die endgültigen Verbindungstypen wurden Produkte verwendet, die bei der künstlichen Alterung keine nennenswerte Vergilbung zeigten. Dabei wurden drei unterschiedliche Klebstoffe untersucht: Das zweikomponentige Epoxidharz Huntsman Araldite® 2020 (Huntsman Advanced Materials GmbH 2012), das UV-härtende Acrylat DELO® Photobond® GB368 (DELO Industrial Adhesives 2019) und das zweikomponentige Polyurethan technicoll® 9430-1 (Ruderer Klebetechnik GmbH 2018). Die angewandten Aushärtungsparameter, allgemeinen Materialeigenschaften und bewerteten Glasübergangstemperaturen in der dynamisch-mechanischen-thermischen Analyse (DMTA) bei 1 Hz gemäß (EN ISO 6721, 2019) der endgültigen Klebstoffauswahl sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die Auswahl der Klebstoffe kann anhand ihres Elastizitätsmoduls und ihrer Festigkeit in drei verschiedene Klassen eingeteilt werden. Ein sehr steifes und sprödes Epoxidharz mit hoher Festigkeit, ein mittelsteifes Acrylat mit mittlerer Festigkeit und ein flexibleres Polyurethan mit geringerer Festigkeit, aber hoher Bruchdehnung.

Table 1 Adhesive properties according to (DELO Industrial Adhesives 2019; Huntsman Advanced Materials GmbH 2012; Ruderer Klebetechnik GmbH 2018; Wünsch 2017; Wurm 2007) and unpublished master's thesis from the Institute of Building Construction, Technische Universität Dresden -Tisch in voller Größe

Der ausgewählte DELO® Photobond® GB368 wurde in (Louter 2009) für Metall-Glas-Verbindungen mit beabsichtigter Anwendung in verstärkten Glasträgern untersucht (Louter 2011). Der Strukturklebstoff zeigte eine erhebliche Haftfestigkeit. Allerdings verringerte sich die Festigkeit der Verbindung bei + 60 °C im Vergleich zur Raumtemperatur um 55 %. Das Epoxidharz Huntsman Araldite® 2020 zeigte für die Anwendung in transparenten Punktbefestigungen eine zufriedenstellende Leistung hinsichtlich Haftfestigkeit und Alterung (Kothe et al. 2016; Wünsch 2017).

Der Polyurethanklebstoff technicoll® 9430-1 wurde in (Kothe et al. 2021) für den Einsatz in Klebeverbindungen für dünne Glasverbundplatten mit 3D-gedruckten Polymerkernen untersucht. Es erwies sich als geeigneter Klebstoff für die Glas-Polymer-Verklebung in einer Schichtdicke von 1 mm. Die Fugen konnten blasenfrei hergestellt werden, waren hochtransparent und vergilbten auch nach künstlicher Alterung (UV-Strahlungstests und erhöhte Temperaturtests) nicht. Die in den veröffentlichten Studien gezeigten Eigenschaften bestätigen, dass die ausgewählten Klebstoffe grundsätzlich für die vorgeschlagene Anwendung geeignet sind. Da es sich bei dem Verbindungsmaterial jedoch um PMMA anstelle von Glas handelt und die Lastübertragung unterschiedlich ist, ist eine Untersuchung der neuartigen Art der integrierten Verbindung für die Bewertung unerlässlich.

Prüfkörper und Studienansatz

Der Untersuchungsansatz (Tabelle 2) diente dazu, das Zugtragverhalten zu charakterisieren und eine optimale Anschlussvariante zu identifizieren. Daher wird die Auswahl der Verbindungstypen entsprechend ihrer Leistung während der experimentellen Untersuchung reduziert. Dies wird in Abschn. besprochen. 4. Der erste Teil der experimentellen Studie konzentrierte sich auf den Temperatureffekt auf verschiedene Verbindungstypen, während der zweite Teil den Einfluss des Verbundaufbaus auf eine reduzierte Anzahl von Verbindungstypen untersuchte.

Tabelle 2 Testreihen –Tisch in voller Größe

Der Referenzaufbau bestand aus 1 mm dicken Deckschichten aus getempertem Glas (ANG) und einem 6 mm dicken PMMA-Zwischenschichtkern. Die Kanten wurden ohne zusätzliche Kantenbehandlung mit Wasserstrahl geschnitten. Die Proben wurden bei + 23, + 40 und + 60 °C geprüft, um die Temperatureinwirkungen bis zur Obergrenze bautechnisch relevanter Temperaturen gemäß (EN 16613, 2020) der Temperatureinwirkungen zu beurteilen. Niedrigere Temperaturen sind für Innenanwendungen nicht zu erwarten. In der Versuchsreihe des zweiten Teils wurde der Einfluss des Verbundaufbaus anhand von Prüfkörpern mit einer erhöhten PMMA-Zwischenschichtkerndicke von 10 mm untersucht. Die belastete Kante wurde abgeschrägt (1 mm) und poliert. Die bevorzugte Verbindungsart wurde zusätzlich durch Aufbringen von Deckschichten aus chemisch gehärtetem Glas (CSG) mit gefaster (1 mm) und polierter Kante untersucht. Insgesamt wurden 14 Versuchsreihen mit jeweils fünf Probekörpern unter Zugbelastung bis zum Bruch untersucht.

Dieser Untersuchungsansatz ermöglicht die Charakterisierung des allgemeinen Tragverhaltens und der Versagensmechanismen. Darüber hinaus werden die Temperatureffekte und der Einfluss des Verbundaufbaus auf die Verbindungsleistung untersucht. Die gewonnenen Ergebnisse identifizieren eine optimale Verbindungsart und stellen eine Grundlage für die Entwicklung realer Anwendungsbeschläge für Ganzglassysteme im Bauwesen dar.

Alle Prüfkörper wurden nach den Vorgaben in Abschn. 2.1 hergestellt. 2 und Klebstoffe wurden mit den Härtungsparametern gemäß Tabelle 1 ausgehärtet. Die nominalen Probenabmessungen betrugen 120 mm × 50 mm, wurden durch Wasserstrahlschneiden aus homogenen Verbundplatten von 2 m × 1 m zugeschnitten und mit einer Kantenschleifmaschine kantenbearbeitet für Glas. Die Edelstahlteile und POM-Abstandshalter wurden in hoher Präzision mechanisch durch CNC-Fräsen hergestellt.

Durch das Mischen und Einsetzen des Edelstahleinsatzes war Luft in der Harzinjektion eingeschlossen. So konnten nach der Aushärtung an fast allen Klebeverbindungsprüfkörpern relativ kleine Luftbläschen vor allem an der Oberseite der Seitenflächen und an der Unterseite beobachtet werden (Abb. 6). Eine Wiederholung der Tests mit einer automatisierten Applikationsanlage würde es ermöglichen, Einschlüsse zu minimieren. Die kleinen Luftblasen beeinflussen das optische Erscheinungsbild, aufgrund des geringen Anteils der Einschlüsse im Vergleich zur Klebefläche (< 3 %) ist jedoch zu erwarten, dass die Blasen keinen wesentlichen Einfluss auf das allgemeine Tragverhalten der Verbindung haben.

Darüber hinaus wurden im gefrästen Hohlraum für das Einlegeprofil der Klebeprobekörper starke Abplatzungsprobleme an der PMMA-Glas-Grenzfläche festgestellt (Abb. 7). In einer CNC-Frässtudie zu den Parametern Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugdurchmesser, Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl konnte der Schaden minimiert werden. Bei Klebeverbindungen waren jedoch weiterhin bei allen Proben Abplatzschäden vorhanden. Der größere Abstand zum Glas führte bei den dickeren Proben zu einer Verringerung der Abplatzungsintensität. Der genaue Ort oder die Ursache des Schadens bleibt ungewiss; Erfolgreiches Fräsen mit früheren Glas-Kunststoff-Verbundproben deuten jedoch auf eine materielle Ursache hin.

Zugversuchsaufbau

Abbildung 8a zeigt den für die Experimente verwendeten Zugprüfstand. Jede Probe wurde für die vertikale Bewegung an der maßgefertigten Stahlbefestigungsanlage befestigt. Die Krafteinleitung erfolgte über eine Universalprüfmaschine (Instron UPM 5881) an einem zentrierten M6-Gewinde oben am Verbindungsmetallblock. Zwei Richtfugen nivellieren die Krafteinleitung, um eine reine Zugbelastung am Anschluss zu gewährleisten (Abb. 8b). POM-Platten in einer Dicke von 1 mm zwischen den Ausrichtungsfugen und der Probe verhindern jeglichen Kontakt von Stahl und Glas. Eine temperaturgesteuerte Prüfkammer ermöglichte je nach Studienansatz Tests bei unterschiedlichen Temperaturen.

Testprozedur

Alle Proben wurden mindestens 24 Stunden lang auf dem jeweiligen Prüftemperaturniveau vorkonditioniert. Die Kraft wurde weggesteuert mit einer Geschwindigkeit von 0,25 mm/min eingeleitet. Die Vorspannung wurde auf ein Kraftniveau von 30 N eingestellt, um die Ausrichtung der Probe im Prüfstand sicherzustellen. Mit den Messzellen der Prüfmaschine wurden Kraft und Traversenweg erfasst. Während der Versuche zeichnete eine Videokamera die Rissentwicklung in der Probe in frontaler Darstellung auf. Die Tests endeten mit einem endgültigen Versagen der Verbindung durch Bruch des PMMA-Zwischenschichtkerns der Probe oder Versagen der Klebeverbindung.

Auswertung der Ergebnisse

Jeder Test ergab einen Wert für Kraft F und Verschiebung u. Kraft-Weg-Diagramme beschreiben das Tragverhalten der Versuchsreihe bis zum endgültigen Versagen bzw. bis zum Herausziehen des Einsatzes bei geringer Belastung. Das Videomaterial während der Tests wurde analysiert, um anhand schematischer Darstellungen den Rissverlauf und die Versagensmechanismen der Verbindung zu bewerten. Basierend auf der Synchronisation mit dem Kraft-Weg-Verhalten wurden die zugehörigen Belastungsniveaus untersucht. Es ist zu erwähnen, dass die Videoanalyse manuell durchgeführt wurde und daher subjektiven Charakter hat. Die dargestellten Bruchbilder verdeutlichen das Versagensverhalten und den Integritätsverlust des einzelnen Verbindungstyps.

Zur Interpretation der Resttragfähigkeit der Verbindung nach der anfänglichen Rissbildung werden die anfänglichen Bruchlasten und die maximale Tragfähigkeit untersucht. Basierend auf den Ergebnissen werden die Verbindungstypen verglichen und nach ihrer strukturellen Leistung klassifiziert.

Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung werden für jeden Verbindungstyp einzeln dargestellt. Zunächst werden der Rissverlauf und die Versagensmechanismen anhand schematischer Darstellungen des typischerweise beobachteten Verhaltens eines repräsentativen Probekörpers für jede Verbindungsart bei + 23 °C beschrieben. Der Fokus liegt auf den relevanten beobachteten Rissen im Dünnglas, den adhäsiven Versagensarten und dem endgültigen Bruch der Probe. Zweitens wird das temperaturabhängige Tragverhalten für jede Verbindungsart anhand umfassender Kraft-Weg-Diagramme veranschaulicht. Die Ergebnisse für jeden Verbindungstyp werden in separaten Diagrammen dargestellt. Zum besseren Vergleich verwenden alle Diagramme auf der X- und Y-Achse die gleichen Maßstäbe. Anschließend wird das Festigkeitsverhalten der einzelnen Verbindungsarten mit anfänglicher Bruchlast und maximaler Belastbarkeit beschrieben. Drittens wird der Einfluss des Verbundaufbaus auf die strukturelle Tragfähigkeit durch den Einsatz eines dickeren Zwischenschichtkerns und den Einsatz chemisch verstärkter Glasdeckschichten bewertet.

Rissfortschritt und Versagensmechanismen

Mechanische Verbindungselemente

Das Tragverhalten der mechanischen Verbindung ist nahezu linear (Abb. 9). Die anfängliche Steigung der Kraft-Weg-Kurve wird auf die Bewegung der Ausrichtungsverbindungen gepaart mit den Bewegungen zurückgeführt, die erforderlich sind, um die Befestigungsgewinde vollständig mit dem PMMA-Material zu verbinden. An den Gewindegängen des Befestigers in der Nähe des äußeren Edelstahlblocks bildeten sich erste Risse mit kleinen runden Rissen im Dünnglas, die keinen Einfluss auf das Tragverhalten hatten (Stadium 1).

Nach dem Bruch im Stadium 1 breitet sich die Rissbildung entlang der Länge der Schraube im Inneren des Dünnglases aus, da Glas im Vergleich zum intakten PMMA-Zwischenschichtkern (Stufe 2) eine geringere Bruchzähigkeit aufweist. Bis zum Bruchstadium 3 waren nur geringfügige Abweichungen vom linearen Tragverhalten mit abgerundeter Rissbildung zu beobachten, die sich mit zunehmender Kraft am Ende einer Schraube ausbreiteten. Dies führt zu einem zwischenzeitlichen Kraftabfall. Zum endgültigen Versagen kommt es durch einen plötzlichen Bruch des Glas-Kunststoff-Verbundes beginnend am Ende des Fadens, wodurch die Probe gespalten wird.

Der anfängliche Bruch im Stadium 1 tritt aufgrund der erhöhten Spannungskonzentration innerhalb der ersten paar in Eingriff befindlichen Gewindegänge des Befestigungselements auf (Fakhouri et al. 2014; Kloos und Thomala 2007). Die anschließende Rissbildung im Stadium 2 kann durch das ähnliche Kraftübertragungsphänomen bei verformten Bewehrungsstäben für Materialien wie Beton erklärt werden, bei denen die Drucklagerung abgewinkelter Rippen entlang des Stabes zur Übertragung von Zugkräften genutzt wird. Diese radialen Druckstreben induzieren einen ausgleichenden Spannungsring im Kapselungsmaterial (Tepfers 1976), der den Bruch im Stadium 2 verursacht. Das endgültige Versagen kann auf konzentrierte Spannungen an den Enden der Gewindegänge zurückgeführt werden, die zur Entwicklung von Zugrissen (Stufe 3) führen, die in Richtung des endgültigen Versagens mit Rissausbreitung bis zum Bruch des PMMA ansteigen. Der Faden blieb jedoch intakt und zeigte bis zum endgültigen Ausfall keine Anzeichen von Beschädigungen.

Klebende Epoxidverbindung

Die klebende Epoxidverbindung zeigte ein steifes Verhalten bis zum spröden Versagen (Abb. 10). Aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls (Eepoxy = 2312 N/mm²) sind PMMA und Epoxidharz ähnlich steif (EPMMA = 2337 N/mm²). Dies führt zu Glasrissen senkrecht zur Zugbelastung, da sich der Einsatz so verhält, als wäre er vollständig in ein einheitliches Material eingebettet. Vorläufige Risse in Stufe 1 befanden sich typischerweise in den dünnen Glasschichten an den Enden der Einsätze. An einer ähnlichen Stelle sammelten sich beim Herausziehen der Einsatzlasche Risse, woraufhin neue Risse im dünnen Glas in der Nähe der Unterkante des Einsatzes auftraten (Stadium 2). Die in Stufe 3 identifizierten Folgerisse entstanden durch die Überbrückung und Ausbreitung früherer Risse. Kurz darauf folgte ein vollständiger Bruch des Glas-Kunststoff-Verbundes entlang der bogenförmigen Bruchlinie, die durch vorherige Rissbildung entstanden war.

Die Einstecklasche der Verbindung löste sich entlang der Bruchlinie vom Glas-Kunststoff-Verbundabschnitt, konnte jedoch aufgrund von Rissüberbrückungen im Glas oder unvollständigen Rissen im PMMA nicht entfernt werden. Der Teil der Glas-Kunststoff-Verbund- und Klebeverbindung oberhalb der Versagensrisslinie blieb größtenteils unbeschädigt und haftete immer noch fest an der Edelstahleinlage.

Der Ort des Klebeversagens ist durch den rot schattierten Bereich in Abb. 10 sichtbar und wurde entlang der Risslinie beobachtet. Der Haftungsverlust an der Unterseite trat an der Epoxidharz-Edelstahl-Grenzfläche beim Bruch auf, während an der Epoxidharz-PMMA-Grenzfläche adhäsive Versagensarten an den Flächen beobachtet wurden. Dies ermöglichte das Lösen der Einsatzlasche aus dem Glas-Kunststoff-Verbund während des endgültigen Versagens. Darüber hinaus wurde entlang der unteren Risslinie ein teilweises Kohäsionsversagen durch teilweises Herausziehen des Edelstahleinsatzes beobachtet.

Klebende Acrylatverbindung

Die Klebeverbindung mit der Acrylatfuge verhielt sich bis zum endgültigen Versagen linear (Abb. 11). Anfängliche Risse (Stadium 1) der Acrylatproben wurden im Dünnglas entlang der unteren Linie senkrecht zur Belastung beobachtet. In Stufe 2 befanden sich die Risse an den Kanten der Einlagen und reichten nicht über den Umfang der Klebefuge hinaus. In Stufe 3 entwickelten sich Streifen an den Klebeflächen des Einsatzes, was auf einen Haftungsverlust sowohl an PMMA- als auch an Edelstahlschnittstellen hinweist. Kurz nach Stufe 3 versagte der Klebstoff plötzlich in Form eines kohäsiven Versagens. Der Prüfkörper bleibt weitgehend intakt.

Das Versagen des Klebstoffs trat bei allen Proben auf mindestens einer der Einsatzflächen auf. Beim Bruch nahm der Bruch an der Glasoberfläche erheblich zu. Dies kann auf die schnelle Verschiebung der Einstecklasche zurückzuführen sein, wenn diese bei endgültigem Versagen plötzlich herausgezogen wird. Nach dem Test klebte der Einsatz immer noch am Glas-Kunststoff-Verbund. Die beobachteten Versagensmechanismen deuten auf ein endgültiges Versagen der Verbindung hin, das auf mangelnde Festigkeit des Acrylats zurückzuführen ist.

Klebende PU-Verbindung

Das Zugverhalten der PU-Klebeverbindung weist auf eine erhöhte Flexibilität hin (Abb. 12). Die Fehlersequenz begann mit einem Klebeversagen an den Klebe-PMMA-Grenzflächen, was durch den Verlust der Klarheit angezeigt wurde (Stadium 1). Anschließend wurde eine Rissbildung des dünnen Glases entlang der Unterseite des Einsatzes (Stufe 2) senkrecht zur Kraft beobachtet. Kurz darauf folgte Stufe 3 mit einem kohäsiven Versagen des Klebstoffs an der Grenzlinie, die durch den Bereich des Klebstoffs entstand, der noch Kontakt mit den PMMA-Wänden hatte. Das kohäsive Versagen führte aufgrund der geringen Kraftniveaus nicht sofort zum endgültigen Versagen. Stattdessen schritt der Ausfall allmählich von Stufe 3 bis zum endgültigen Ausfall durch fast vollständiges Reißen voran.

Während dieses Übergangs ging der starke Riss mit einem nahezu vollständigen Verlust des Verbindungswiderstands einher. Die Restbelastbarkeit innerhalb der Kraft-Weg-Kurve erfasste das allmähliche Herausgleiten des Einsatzes aus dem PMMA-Hohlraum und war nicht von wesentlicher Bedeutung, da davon ausgegangen wurde, dass die Verbindung am Scheitelpunkt der Kraft-Weg-Kurve ihr endgültiges Versagen erreicht hatte. Insgesamt führten die geringe Steifigkeit des Klebstoffs und das frühe Versagen des Klebstoffs während des Tests zu einem minimalen Bruch der Glas-Kunststoff-Verbundprobe.

Temperaturabhängiges Tragverhalten

Die einheitlichen Kraft-Weg-Diagramme (Abb. 13a–d) der Versuchsreihe charakterisieren und vergleichen das Tragverhalten der untersuchten Verbindungsarten bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Stärken der Verbindungen und entsprechende Statistiken werden in Abschn. 4.3.

Mechanische Verbindungselemente

Die Versuchsreihen der mechanischen Verbindungselemente bei + 23, + 40 und + 60 °C stellen ein lineares Tragverhalten dar (Abb. 13a). Einzelne Proben zeigten erst bei einem Kraftniveau zwischen 2 und 4 kN Rissbildungen, die zu einem deutlichen Kraftabfall führten, gefolgt von einem weiteren Lastanstieg, der zum endgültigen Versagen führte. Das ultimative Kraftniveau charakterisiert das endgültige Versagen und die maximale Kapazitätsbelastung des PMMA-Zwischenschichtkerns.

Klebende Epoxidverbindung

Die klebende Epoxidverbindung zeigte bis zum plötzlichen Versagen ein lineares Verhalten (Abb. 13b). Bei + 40 und + 60 °C war eine zunehmende Streuung zwischen den einzelnen Versuchen zu beobachten. Die Proben entwickelten erhebliche Risse an den Kanten, was zu einem früheren teilweisen Haftungsverlust an der Epoxidharz-PMMA-Grenzfläche an den Seitenflächen des Einsatzes führte (Abb. 14). Im Allgemeinen zeigte der Epoxidklebstoff selbst bei + 40 und + 60 °C eine hohe Steifigkeit, gepaart mit einem Haftungsverlust an der Grenzfläche zum PMMA-Zwischenschichtkern bei geringeren Belastungen.

Klebende Acrylatverbindung

In den Kraft-Weg-Diagrammen (Abb. 13c) ist eine deutliche Temperaturabhängigkeit der klebenden Acrylatverbindung zu erkennen. Aufgrund der relativ niedrigen Glasübergangstemperatur (9–46 °C) erweicht der Kleber bereits bei + 40 °C. Dies führt zu erhöhten Verschiebungen bis zum endgültigen Versagen. Zwischen Acrylat und Edelstahl an der Unterseite des Einsatzes und zwischen Acrylat und PMMA an den Seitenflächen wurden Adhäsionsversagensarten festgestellt (Abb. 15). Bei + 60 °C ist eine begrenzte Kraftübertragung zu beobachten. Dies ist auf das Nachgeben der Klebeverbindung zurückzuführen, nach dem der Einsatz mit relativ geringer Kraft herausgezogen wird, wobei ähnliche Versagensarten wie in Abschn. 2 beschrieben auftreten. 4.1.

Klebende PU-Verbindung

Die PU-Klebeverbindung wies im Vergleich zu den anderen Klebeverbindungen die geringste Steifigkeit auf (Abb. 13d). Dies steht im Einklang mit den Materialeigenschaften in Tabelle 1. Die Glasübergangstemperatur (9–34 °C) liegt etwa bei Raumtemperatur. Daher ist bei erhöhter Temperatur mit einer noch geringeren Steifigkeit und Tragfähigkeit aufgrund einer stärkeren Erweichung des Klebstoffs zu rechnen. Dies führte dazu, dass der Klebstoff für weitere Tests ausgeschlossen wurde.

Vergleich der Stärke

Die ausgewerteten Ergebnisse der ersten Versuchsreihe (Abb. 16) ermöglichen einen Festigkeitsvergleich mit entsprechenden Statistiken. Darin sind die anfängliche Bruchlast und die maximale Tragfähigkeit der Verbindung enthalten. Die Nachbruchlastreserven (markiert durch die Pfeile) werden als zusätzliche Kapazität bis zur maximalen Tragfähigkeit nach der anfänglichen Bruchlast bewertet. Diese Quantifizierung kann in ausfallsicheren Designkonzepten für praktische Anwendungen eingesetzt werden. Die vollständigen Statistiken der einzelnen Versuchsreihen sind in Tabelle 3 zusammengefasst.

Tabelle 3 Festigkeitsergebnisse der Verbindungsarten aus experimentellen Zugversuchen bei verschiedenen Temperaturen. (arithmetisches Mittel x̅arithm ± Varianz σ2; Änderung (x̅−x̅ref)/x̅ref); Belastungsreserve nach Bruch) -Tisch in voller Größe

Die Festigkeit des Verbindungselements bleibt bei allen getesteten Temperaturen in der gleichen Größenordnung (maximale Änderung von -15 %). Dies bestätigt ein gleichbleibendes Tragverhalten, das auf die relativ geringe Änderung des E-Moduls des PMMA-Zwischenschichtkerns bei Temperaturen bis + 60 °C zurückzuführen ist. Bei den Klebeverbindungen waren die Klebesteifigkeit, die Festigkeit und die Adhäsion die wichtigsten Parameter, die den anfänglichen Bruch und die Festigkeit bestimmten. Generell gilt: Je geringer die Klebesteifigkeit, desto geringer ist die Gesamtfestigkeit der Verbindung sowohl hinsichtlich der anfänglichen Bruchlast als auch der maximalen Belastbarkeit.

Dieser Einfluss der Klebesteifigkeit wird bei der Acrylatverbindung deutlich durch die durch Temperatureinflüsse verursachten Reduzierungen von -66 % beim Anfangsbruch und -71 % bei der maximalen Belastbarkeit sichtbar. Bei + 23 °C zeigte das starre Epoxidharz eine geringere anfängliche Bruchfestigkeit (1,33 kN) als das flexiblere Acrylat (2,16 kN). Daraus lässt sich schließen, dass die Klebeverbindung eine gewisse Flexibilität erfordert, um Spannungskonzentrationen im Dünnglas des Verbundes zu reduzieren, die für den anfänglichen Glasbruch entscheidend sind. Bei + 40 °C erreichte die Epoxidverbindung die höchste Gesamtanfangsfestigkeit von 2,99 kN, was ein vorteilhaftes Verhältnis von Steifigkeit und Festigkeit darstellt. Bei + 60 °C sinkt die Festigkeit aufgrund der früheren anfänglichen Bruchbildung auf 2,05 kN. Die geringe Steifigkeit und Reißfestigkeit von PU führten zu einer sehr schlechten Gesamtleistung (anfänglicher Bruch: 0,87 kN und maximale Kapazität: 0,88 kN).

Alle Verbindungen, mit Ausnahme der Klebe-PU-Verbindung, zeigen nach dem anfänglichen Bruch eine Erhöhung der Belastbarkeit. Daher wurden Lastreserven nach dem Bruch im Bereich von 1,52 bis 2,64 kN für Verbindungselemente, von 0,99 bis 2,54 für Epoxidharzverbindungen und von 0,44 bis 1,89 kN für Acrylatverbindungen quantifiziert (Tabelle 3). Die PU-Klebeverbindung bot aufgrund des Abreißens des Klebers keine nennenswerten Lastreserven nach dem Bruch.

Einfluss des Kompositaufbaus

Der Einfluss des Verbundaufbaus wird in einem ähnlichen Festigkeitsvergleich dargestellt (Abb. 17 und Tabelle 4).

Tabelle 4 Festigkeitsergebnisse der Verbindungsarten aus experimentellen Zugversuchen für verschiedene Aufbauten bei + 23 °C. (arithmetisches Mittel x̅arithm ± Varianz σ2; Änderung (x̅−x̅ref)/x̅ref); Belastungsreserve nach Bruch) -Tisch in voller Größe

Die mechanische Verbindungsverbindung zeigt eine Steigerung der anfänglichen Bruchlast um + 76 % und der maximalen Tragfähigkeit um + 75 %. Die Versagenseigenschaften stimmen mit den oben genannten für den dünneren Aufbau überein, jedoch bei erhöhter Belastung.

Die klebende Epoxidverbindung zeigt eine deutliche Festigkeitssteigerung (anfängliche Bruchlast + 114 % und maximale Belastbarkeit + 37 %), wohingegen die klebende Acrylatverbindung eine gleichwertige Leistung wie der dünnere Aufbau zeigt (anfängliche Bruchlast -5 % und maximale Belastbarkeit). + 9 %). Die anfänglichen Misserfolge beider Klebstoffe entsprachen den oben genannten Eigenschaften des dünneren Aufbaus. Die erhöhte Anfangsfestigkeit der Epoxidklebstoffverbindung und die geringe Rissbildung in der Testprobe zeigten eine Verringerung der Glasspannungen. Das endgültige Versagen trat jedoch hauptsächlich aufgrund eines Adhäsionsverlusts auf (Abb. 18a). Die Acrylat-Klebeverbindung versagte durch gemischtes Adhäsiv- und Kohäsionsversagen (Abb. 18b). Dies rechtfertigt die begrenzte Erhöhung der maximalen Tragfähigkeit für beide Klebeverbindungen, da die Tragfähigkeit der Verbindung entscheidend wird.

Insgesamt zeigte die mechanische Verbindungsverbindung im Vergleich zu den Klebeverbindungstypen eine überlegene Leistung, sowohl hinsichtlich der anfänglichen Bruchlast als auch der maximalen Belastbarkeit. Daher fiel die Wahl auf die bevorzugte Variante der mechanischen Verbindung und es wurden zusätzliche Tests mit chemisch vorgespanntem Dünnglas (1,1CSG–10PMMA–1,1CSG) durchgeführt.

Durch die Verwendung von chemisch gehärtetem Glas wurde die anfängliche Bruchlast im Vergleich zu getempertem Glas um weitere + 53 % erhöht (+ 169 % im Vergleich zu 1ANG–6PMMA–1ANG), während die maximale Kapazität, die durch die PMMA-Festigkeit definiert wird, gleich blieb Niveau (Tabelle 4). Eine anfängliche Bruchlast von 5,07 kN und eine Endtragfähigkeit von 6,65 kN wurden erreicht, wobei die mechanische Verbindungsverbindung zu einer hohen Festigkeit im Vergleich zur kleinen Verbindung führte und eine bemerkenswerte Lastreserve nach dem Bruch bot. Diese Auswertung quantifiziert den Einfluss des Glasaufbaus und des Einsatzes chemisch verstärkter Glasdeckschichten auf die Festigkeit von Glas-Kunststoff-Verbundplattenverbindungen.

Zwischen den verschiedenen Verbindungsarten wurden erhebliche Unterschiede in der Tragfähigkeit festgestellt. Die Klebesteifigkeit, Zugfestigkeit und Adhäsion waren die Hauptvariablen, die die Versagensarten und maximalen Kapazitäten der Klebeverbindungen bestimmten. Das Epoxidharz verhielt sich steif, zeigte jedoch frühe Rissbildungen im dünnen Glas. Ein dickerer Zwischenschichtkern führte zu einer besseren Spannungsverteilung und damit zu einer höheren Verbindungsfestigkeit. Bei den dünnen Proben (1 ANG – 6 PMMA – 1 ANG) erfolgte das endgültige Versagen durch Bruch an der Einlage, wohingegen bei den dicken Proben (1 ANG – 10 PMMA – 1 ANG) das Versagen durch Adhäsion ausschlaggebend war. Somit bietet die Verbindung eine hohe Nachbruchlastreserve von 2,54 kN (Referenz) und 2,45 kN (dickerer Zwischenschichtkern).

Das Acrylat war als mittelsteifer Klebstoff in der Lage, Spannungskonzentrationen gleichmäßig zu verteilen, was zu einer hohen anfänglichen Bruchfestigkeit und maximalen Kapazität führte, was zu einer konsistenten Lastreserve nach dem Bruch von 1,89 kN (Referenz) und 2,37 kN (dickerer Zwischenschichtkern) führte. Der flexible PU-Kleber versagte früh, indem er riss und die Einlage herauszog, ohne dass eine Belastungsreserve für die Zeit nach dem Bruch vorhanden war. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein bestimmter Elastizitätsmodul erforderlich ist, um eine ausreichende Verbindungssteifigkeit zu zeigen, aber auch die Spannungskonzentrationen in den Glasdeckschichten zu begrenzen. Die Haftfestigkeit und Adhäsion spezifizierten die letztendlichen Versagensmechanismen (adhäsives und kohäsives Versagen) der Verbindung.

Hohe Festigkeit gepaart mit ausreichender Haftung führten schließlich zum plötzlichen Aufplatzen der Probe, wohingegen bei geringer Festigkeit oder unzureichender Haftung der Einsatz herausgezogen wurde. Da die Steifigkeit und Festigkeit der getesteten Polymerklebstoffe oberhalb der Glasübergangstemperatur deutlich abnimmt, wurden die Verbindungen beim Überschreiten der Glasübergänge schwächer und die Einsätze wurden nach Überschreiten der Festigkeit herausgezogen. Der dickere Zwischenschichtkern führte aufgrund der Reduzierung der Glasspannungen zu einer höheren Anfangsfestigkeit der Epoxidverbindung (+ 114 %). Allerdings konnte die maximale Belastbarkeit nur begrenzt gesteigert werden (+37 %), da Adhäsionsverlust und Kohäsionsversagen der Verbindungen vorherrschend waren. Daher begrenzte die Festigkeit der Klebeverbindung die maximale Belastbarkeit der Verbindungen bei Aufbauten mit dickerem Zwischenschichtkern.

Unterschiedliche mechanische Verbindungsanordnungen wurden nicht bewertet, während die vorgeschlagene Verbindungsverbindung ein nahezu lineares Tragverhalten bis zum endgültigen Versagen zeigte. Das Verhalten wird in begrenztem Maße durch frühe feine Glasrisse bis zum endgültigen Bruch des PMMA-Zwischenschichtkerns ab dem Ende eines Gewindegangs beeinflusst. Somit bietet die Verbindung eine hohe Nachbruchlastreserve nach dem ersten Bruch von mindestens 1,58 kN. Darüber hinaus wurde nur eine unbedeutende Temperaturabhängigkeit beobachtet (Abb. 16 und Tabelle 3). Dies passt zu den Untersuchungen des PMMA-Zwischenschichtkernmaterials in (Hänig und Weller 2021). Es wurde festgestellt, dass ein dickerer Verbundaufbau die Tragfähigkeit erhöht, jedoch keinen Einfluss auf die Versagensmechanismen der Verbindung hat. Insgesamt erhöht eine gleichmäßigere Spannungsverteilung durch den Einsatz eines dickeren Zwischenschichtkerns die Verbindungsfestigkeit sowohl beim anfänglichen Bruch als auch bei der maximalen Belastbarkeit und bietet gleichzeitig zufriedenstellend hohe Lastreserven nach dem Bruch.

Bezogen auf den Herstellungs- bzw. Montageprozess weisen mechanische Verbindungen im Vergleich zu Klebeverbindungen drei wesentliche Vorteile auf: Zum einen werden für die Herstellung der Prüfkörper nur einfacher herzustellende Gewinde im PMMA benötigt und es treten keine Abplatzungsfehler auf. Zweitens beträgt die Montagezeit nur wenige Minuten im Vergleich zu Aushärtezeiten von Stunden oder sogar mehreren Tagen für die zweikomponentigen Klebeverbindungen. Nur das UV-härtende Acrylat bietet eine Herstellungszeit im Minutenbereich, erfordert jedoch eine UV-Lampenausrüstung. Drittens ist die mechanische Verbindung demontierbar und ermöglicht die Wiederverwendung von Komponenten sowie einen schnellen Austausch im Schadensfall. Diese wesentlichen Merkmale sollten bei der Weiterentwicklung der Verbindungen berücksichtigt werden.

Die Ergebnisse für alle Verbindungen zeigten eine bemerkenswerte Streuung der Kraftniveaus für die anfängliche Bruchlast sowie die maximale Belastbarkeit (Tabelle 3 und 4). Die größte Varianz wurde beim Verbindungselement beobachtet, gefolgt vom Epoxidverbindungstyp, während Acrylat und PU eine allgemein höhere Übereinstimmung innerhalb der einzelnen Testergebnisse zeigten. Die Streuung kann auf Abplatzungsdefekte in der Nähe der PMMA- und Glasgrenzfläche zurückgeführt werden. Die Streuung wird auch durch manuelle Montage, Schwankungen der Glasdicke sowie Oberflächenschäden im Glas aufgrund der Verarbeitung und Handhabung der Proben beeinflusst, die sich auf die Glasfestigkeit auswirken.

Darüber hinaus beeinflusst die unterkritische Risswachstumsentwicklung im getemperten Glas im Laufe der Zeit aufgrund der relativ langen Belastungsdauer die Glasfestigkeit (Brokmann et al. 2021; Haldimann et al. 2008). Auch unterschiedliche Belastungsdauern beeinflussen die Steifigkeit und Festigkeit der viskoelastischen Klebeverbindungen. Um das Abplatzungsproblem zu beheben, wird eine Änderung der Materialzusammensetzung in Kombination mit Verbesserungen bei der Polymerisation des Zwischenschichtkerns sowie beim Tempern vorgeschlagen. Darüber hinaus sollten einheitlichere Montagepraktiken oder eine automatisierte Fertigung untersucht werden, um deren Einfluss auf den Klebeprozess zu verringern und die optische Qualität zu verbessern.

Der Artikel untersuchte die Leistung struktureller Verbindungen in Glas-Kunststoff-Verbundplatten als Grundlage für die Entwicklung unauffälliger Verbindungshardware. Dazu gehört die detaillierte Untersuchung des Tragverhaltens einschließlich Rissfortschritt und Versagensmechanismen der vorgeschlagenen innovativen Verbindungsarten unter Zugbelastung. Die Temperatureffekte und der Einfluss von Kompositaufbauten wurden in einer umfassenden Studie untersucht. Zur abschließenden Beurteilung werden die anfängliche Bruchlast und die maximalen Tragfähigkeitseigenschaften berücksichtigt.

Mechanische Verbindungselemente verfügen über die Fähigkeit, eine hohe Festigkeit zu erreichen, ein lineares Tragverhalten zu bieten, das nur unwesentlich temperaturabhängig ist, und zufriedenstellende Lastreserven nach einem Bruch zu bieten. Der höchste Gewinn (Erhöhung der anfänglichen Bruchlast und der maximalen Bruchkapazität) wurde durch Erhöhung der Polymerkerndicke beobachtet. Es wurde auch festgestellt, dass die Glasfestigkeit entscheidend für die anfängliche Bruchfestigkeit, nicht jedoch für die endgültige Bruchlast ist. Im Allgemeinen ermöglichen die mechanischen Verbindungselemente eine ausfallsichere Konstruktion.

Die Eigenschaften der Klebeverbindung werden durch die Spannungsverteilung in den Glasdeckschichten bestimmt, die maßgeblich vom Verbundaufbau, der Steifigkeit und Festigkeit des Klebers beeinflusst wird. Daher erzeugten der steife (Epoxidharz) und der mittelsteife (Acrylat) Klebstoff ein ausgewogenes Verhältnis von Merkmalen in Bezug auf hohe Anfangsbruchfestigkeit und Kraftübertragungsfähigkeiten bis zum endgültigen Versagen. Dies beziffert zufriedenstellende Belastungsreserven nach einem Bruch. Allerdings beeinflusste das temperaturabhängige Materialverhalten der Klebstoffe die Verbindungsleistung erheblich, was zu einer geringen Tragfähigkeit oberhalb der Glasübergangstemperatur der Klebstoffe führte. Dies begrenzt die Anwendungstemperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur. Aufgrund der geringen Klebesteifigkeit verhielt sich die PU-Verbindung sehr flexibel. Darüber hinaus führte die geringere Haftfestigkeit bereits bei vergleichsweise geringer Belastung zu einem vorzeitigen Haftversagen. Dies beweist, dass das PU für die vorgeschlagene integrierte Verbindung nicht geeignet ist.

Bevorzugte Trageigenschaften, hohe Festigkeit und ausreichende Nachbruchlastreserven bei quasistatischer Zugbelastung weisen den mechanischen Verbindungstyp als bevorzugte Verbindungsvariante aus. Darüber hinaus sorgt das ansprechende integrierte Design mit minimaler Behinderung sowie eine einfache und durchweg gelungene Montage dafür, dass die Verbindung unter Zugbelastung bestens geeignet ist.

Die gewonnenen Ergebnisse stellen einen ersten umfassenden Datensatz dar. Für eine praktische Umsetzung in Glaskonstruktionen für die Bauindustrie sind jedoch weitere Untersuchungen unerlässlich. Daher wird empfohlen, zunächst das Tragverhalten unter Scherbeanspruchung sowie in den folgenden Schritten unter Biegung und Druck zu bewerten. Ebenso muss die Langzeitstabilität für den baulichen Einsatz untersucht werden. Dies wird zu einem vollständigen Datensatz für die strukturelle Gestaltung der Verbindungen der Glas-Kunststoff-Verbundplatten führen. Aktuelle Forschungsergebnisse befassen sich mit diesen Strukturmerkmalen und werden in kommenden Artikeln veröffentlicht.

Um experimentelle Studien einzuschränken, werden begleitende numerische Analysen und eine umfassendere Parameterstudie für Verbindungsoptimierungen vorgeschlagen. Dazu gehören die detaillierten Spannungsverteilungen sowie die Untersuchung von Einflussparametern wie Verbundaufbau sowie Einstecktiefe und Verbindungsgröße. Der gesammelte Datensatz dieser Forschung, einschließlich Kraft-Weg-Diagrammen und dem Verständnis des Rissfortschritts und der Versagensmechanismen, wird zur Validierung numerischer Modelle beitragen. Auf dieser Basis lassen sich Bauverbindungen zuverlässig anwendungsgerecht auslegen und für eine optimale Lastverteilung anpassen. Die integrierten Verbindungsdesigns für leichte Glas-Kunststoff-Verbundplatten könnten in Zukunft ein spektakuläreres Glasdesign ermöglichen, das hohe Transparenz mit leichtem Design verbindet.

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Informationen zum Autor

Autoren und Zugehörigkeiten

Institute of Building Construction, Technische Universität Dresden, August-Bebel-Straße 30, 01219, Dresden, Germany

Julian Hänig & Bernhard Weller

Korrespondierender Autor

Korrespondenz mit Julian Hänig.

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Interessenkonflikt

Im Namen aller Autoren erklärt der korrespondierende Autor, dass kein Interessenkonflikt besteht.