Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methoden zur Auslegung und Simulation von Metall-Glas-Klebungen im Bauwesen im Hinblick auf eine Versagensprognose

Lastabtragende geklebte Verbindungen im Bauwesen sind nicht normativ geregelt und benötigen in Deutschland zeit- und kostenintensive Zulassungsverfahren. Insbesondere fehlt es hier an realitätsnahen Bemessungsregeln.

Für ein vollumfängliches Bemessungskonzept werden neben der korrekten Last-Verformungs-Vorhersage umfangreiche Erkenntnisse über das Versagensverhalten eines hyperelastischen Klebstoffsystems benötigt. Im beantragten Forschungsvorhaben sollen systematisch der Grenzzustand der Tragfähigkeit (Ultimate Limit State, ULS) sowie der Gebrauchstauglichkeit (Serviceability Limit State, SLS) betrachtet und eine Versagensprognose von Metall-Glas-Klebungen abgeleitet werden. Dazu wird ein klar gegliedertes Arbeitsprogramm aus einer breiten Versuchsmatrix zur Untersuchung des Versagensverhaltens hyperelastischer Klebstoffe, der Modellierung des Klebstoffverhaltens und der Validierung der aufgestellten Materialmodelle an typischen Struktursituationen und bauteilähnlichen Strukturen verfolgt. Dabei soll zwischen dem Schubversagen, einem möglichen Zugversagen, der Überlagerung von Schub und Zug sowie dem hydrostatischen Versagen durch Kavitation differenziert werden und anschließend die treibende Größe des Versagensmechanismus‘ identifiziert werden.

Die im Projektverlauf gewonnen Erkenntnisse über das Versagensverhalten von Silikonklebstoffen werden in ein Materialmodell implementiert, welches eine realistische Auslegung lastabtragender hyperelastischer Klebungen ermöglicht und vollumfänglich das Materialverhalten von kleinen Verformungen bis hin zu den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit und der Tragfähigkeit abbildet. Entsprechende Bemessungsregeln und ein ingenieur-technischer Leitfaden zur Anwendung des Modells soll den KMU, wie z.B. Ingenieurbüros und Fassadenbauern, und weiteren Anwendern von hyperelastischen Klebstoffsystemen aus anderen Branchen zur Verfügung gestellt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projekt befasst sich mit der Charakterisierung von hyperelastischen 2K-Silikonklebstoffen. Der Fokus der Untersuchung liegt dabei auf den vorherrschenden Versagensmechanismen von geklebten Verbindungen und der anwendungsnahen Modellierung dieser.

Das übergeordnete Forschungsziel ist es, eine Methodik und Lösungsansätze zur adäquaten Berechnung bis in die Grenzzustände von Silikonklebungen im Bauwesen aufzustellen. Um die Prognostizierbarkeit des Materialverhaltens zu ermöglichen, wird das Versagensverhalten in einer breiten Versuchsmatrix an zahlreichen unterschiedlichen Prüfkörpern untersucht. In entsprechenden Grundversuchen werden eindeutige Lastzustände auf den Silikonklebstoff aufgebracht. In weiterführenden Validierungsversuchen werden komplexere multiaxiale Spannungszustände untersucht. Die große Bandbreite an experimentellen Versuchen führt zu einer Definition von drei wesentlichen Versagensmechanismen von hyperelastischen Silikonklebstoffen: Kavitation, Zugversagen und Schubversagen.

Das entwickelte Simulationsmodell ist in der Lage, das Materialverhalten im Grenzfall der Schädigung des Werkstoffes zu prognostizieren. Dabei werden sowohl die Steifigkeitsdegradation infolge Kavitation als auch das Rissverhalten entsprechend abgebildet. Auf dieser Grundlage kann die maximale Tragfähigkeit von Klebverbindungen mit unterschiedlicher Aspekt Verhältnisse zu prognostiziert werden.

Die Forschungsergebnisse helfen einer Vielzahl von KMU, die im Bereich des (Glas) Fassadenbaus in Fertigung, Planung und Auslegung tätig sind, ihr eigenes Portfolio zu ergänzen oder sogar um komplett neue Geschäftsfelder zu erschließen. Mit dem Ergebnis und dem technischen Leitfaden soll jedem Planenden und Ausführenden in der Praxis das notwendige Werkzeug zur Verfügung gestellt , um eine lastabtragende Klebverbindung im konstruktiven Glasbau zu planen, zu simulieren und schließlich auszuführen.