Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Mechanisches Verhalten von Silikonklebstoffen in Abhängigkeit der Belastungsdauer (Kurzzeit-, Langzeit- und Schwingbelastung)

Aufgrund des sehr geringen Kenntnisstandes bezüglich ihres komplexen Tragverhaltens werden bei der Bemessung von Silikonverbindungen im konstruktiven Glasbau hohe methodische Sicherheitsfaktoren (in Deutschland bspw. Faktor 6 für Kurzzeitbelastungen) beaufschlagt. Daraus resultiert derzeit eine kostenintensive Überdimensionierung bei gleichzeitiger Einschränkung der Designmöglichkeiten, was in der Praxis zu Vorbehalten und hohen Auflagen seitens der Baubehörden und vielfach zum Abstand von einer Ausführung mit einer geklebten Verbindung führt. Betroffen sind hiervon meist Planer und Konstrukteure in Ingenieurbüros, die zu den KMU zählen.

Im Forschungsantrag werden daher die Veränderungen des mechanischen Verhaltens bzw. der zur Bemessung notwendigen Kennwerte in Abhängigkeit von der Belastungsdauer (mit Fokus auf die Schwingbelastung) und fertigungsbedingter Inhomogenitäten an Kleinteilproben untersucht. Darauf aufbauend wird die Überlagerung und damit die Wertigkeit dieser beiden Einflüsse zueinander erforscht. Für eine praxisnahe und KMU-relevante Übertragung der Ergebnisse der Laborversuchen auf konkrete Anwendungsfälle wird im Projektverlauf ein reales Fassadenbauteil unmittelbar nach Einbau in situ überwacht. Parallel hierzu werden identische Fassadenbauteile definierten realitätsgetreuen Schwing- und Langzeitbelastungen unter Laborbedingungen und unter Berücksichtigung von Inhomogenitäten ausgesetzt und die Ergebnisse verglichen.

Ziel ist die Ableitung von Bemessungs- und Konstruktionsregeln für Silikonklebungen, welche die Einflüsse aus Belastungsdauer und Inhomogenitäten im besten Fall über Abminderungsfaktoren berücksichtigt. Auf diese Weise wird für die KMU eine unabhängig ermittelte Bewertung und Vorgehensweise zugänglich. Durch das Potential zur Reduktion des methodischen Sicherheitsfaktors und der damit verbundenen Designfreiheit kann sich das KMU besonders in Deutschland, aber auch international wirtschaftlich besser positionieren.

Ergebniszusammenfassung:

- Daten zum Monitoring eines geklebten ungestützten Brüstungselements im Außenbereich über ca. 2 Jahre. Eine Veränderung des Werkstoffverhaltens konnte nicht festgestellt werden. Temperatureinflüsse haben sich als maßgebend für die Klebstoffdeformation über die Messdauer ergeben.

- Daten zum Kriechverhalten (primäres, sekundäres Kriechen) analoger Elemente. Die max. gemessene Kriechverformung liegt nach einem Jahr bei ca. 0,06mm und fällt damit extrem gering aus.

- Daten für bis zu drei Klebstoffe, ermittelt an Substanzproben und H-Proben, in den Belastungsszenarien: Zug (quasistat.), Schub (quasistat.), Zug (zyklisch.), Schub (dynamisch), Zug (dynamisch, nur Einzelwerte in einem Windlastnachfahrversuch), Schub (Kriechen). Hierbei wurden Inhomogenitäten, die größtenteils analog zu den in der Schweißtechnik verwendeten Normen zur Beschreibung von Fertigungsfehlern ausgewählt wurden, überlagert. Darüber hinaus wurden auf PA Wunsch Alterungsverfahren wie der PV 1200 Klimawechseltest, die Tensidlagerung und Wasserlagerung + UV nach ETAG 002 berücksichtigt, die nicht im Antrag vorgesehen waren.

Insgesamt ist das Sicherheitsniveau der untersuchten realen Bauteile sehr hoch. Die Computertomographie als zerstörungsfreies Prüfverfahren wurde für Silikone und die eingebrachten Inhomogenitäten validiert. Durch die Analyse und Dokumentation aller H-Proben war der Abgleich von Probenqualität zu Prüfergebnis möglich.

Anmerkungen zum Qualitätskonzept wurden durch Mitarbeit am FKG-Merkblatt Nr. 01/2021 ebd. inkludiert.

Hinsichtlich der Bemessung wurde ein erweitertes Konzept vorgeschlagen, welches zusätzliche partielle Abminderungsfaktoren für verschiedene festigkeitsmindernde Einflüsse vorsieht. Insbesondere die Alterung zeigt sich hier als maßgebende, die Klebstofffestigkeit degradierende Größe.