Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methoden zur Auslegung und Simulation von Metall-Glas-Klebungen im Bauwesen

Jede lastabtragende geklebte Verbindung in Deutschland benötigt eine Zustimmung im Einzelfall oder eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. Diese Verfahren sind sehr kosten- und zeitintensiv. Vorbehalte gegenüber lastabtragend geklebten Verbindungen rühren vor allem aus einer nicht vorhandenen konsistenten Methodik zur Auslegung und zuverlässigen Simulation dieser Verbindungen.

Ziel des beantragten Projektes ist deswegen die Ableitung einer solchen konsistenten Auslegungsmethodik von Klebverbindungen im Bauwesen, insbesondere unter Berücksichtigung der modell- und spannungszustandsabhängigen Materialparameter. Dazu verfolgt der Forschungsantrag ein klar gegliedertes und abgestecktes Arbeitsprogramm aus Kennwertversuchen unter Berücksichtigung der Materialmodellierung, der Validierung der aufgestellten Materialmodelle an typischen Struktursituationen und bauteilähnlichen Strukturen und der Schädigung (Mullins-Effekt).

Nach erfolgreicher Durchführung des Projektes sollen den KMU, wie z.B. Ingenieurbüros, Metallbauern und Fassadenbauern, Bemessungsmöglichkeiten und die erforschte Methodik, zusammengefasst in einem ingenieurtechnischen Leitfaden bzw. Handbuch mitsamt der Beschreibung einfach zu realisierender Kennwertversuche an die Hand gegeben werden können.

Der konkrete Nutzen der betroffenen KMU besteht darin, dass erstmals eine systematische Herstellung von Grundlagen zur Entwicklung von Bemessungsnormen erfolgt. Dadurch kann in Zukunft die derzeit erforderliche Einzelzulassung von Anwendungsprojekten vermieden werden und der Markt für geklebte Metall-Glas-Verbindungen diskriminierungsfrei geöffnet werden. Somit besteht ein erheblicher Nutzen für diese hauptsächlich mittelständisch geprägte Industrie.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Versuchsprogramms wurde zunächst das Materialverhalten von Silikonklebstoffen in Hinblick auf unterschiedliche Last- und Spannungszustände, Dehnratenabhängigkeit sowie Materialerweichung an sog. „Grundversuchen“ untersucht. Parallel hierzu wurde ein auf dem Ogdenmodell basierendes Materialmodell aufgestellt und auf thermodynamische Konsistenz überprüft. Dieses Modell ist durch die Implementierung einer Funktion zur Steifigkeitsreduktion in der Lage, den Mullins-Effekt des Klebstoffes abzubilden.

Die Kombination aus uniaxialem Zugversuch, Planarzugversuch sowie uniaxialem Kompressionsversuch konnte als geeignete Kombination für die Parametrisierung identifiziert werden. Mit Hilfe verschiedener Validierungsversuche, wurde mit diesem Parametersatz ein komplexes Klebstoffverhalten unter Berücksichtigung der Fügeteileinflüsse simuliert.

Abschließend wurde das Modell an bauteilähnlichen Proben erprobt, welche einen mehraxialen Spannungszustand aufweisen. Es zeigte sich, dass das Modell auch für diesen komplexeren Spannungszustand, welcher bspw. durch eine Windbelastung auf ein Fassadenelement erzeugt wird, eine genaue Last-Verformungsvorhersage insbesondere im für das Bauwesen relevanten Dehnungsbereich von bis zu 10 % ermöglicht. Insgesamt wurden Modellparameter für drei unterschiedliche hyperelastische 2K-Silikonklebstoffsysteme ermittelt.

Zuletzt wurde die Herstellung, Versuchsdurchführung sowie -auswertung aller benötigten Grundversuche in einem ingenieurtechnischen Leitfaden zusammengefasst. Zudem wurde das Vorgehen für die Modellaufstellung und die numerische Simulation (auch für kommerziell verfügbare FEM-Software) beschrieben. Dieses Dokument stellt im Wesentlichen den kondensierten Erkenntnisgewinn sowie den direkten Anwendungsbezug für die industrielle Nutzung der Forschungsergebnisse dar.