Untersuchung des Tragverhaltens von in die Zwischenschicht von Verbundglas integrierten Lasteinleitungselementen

Abstract

Ein neu entwickeltes Zwischenschichtmaterial für Verbundglas (SentryGlas®, SG) ermöglicht einen innovativen Verbindungsansatz im Glasbau, bei dem die Last über ein in die Verbundglaszwischenschicht integriertes Metallelement (Insert) eingeleitet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Tragverhalten einer Insertverbindung unter kurzzeitiger Zugbelastung untersucht und eine Methode zur Berechnung der Spannungsverteilung innerhalb einer Insertverbindung entwickelt. Eine Geometrieanpassung zeigte abschließend, dass durch eine Veränderung der Insertgeometrie die Spannungsverteilung im Verbundglas beeinflusst und tragstrukturell optimiert werden kann.

Zugversuche am Folienmaterial dienten der Ableitung eines SG-Materialmodells für diskrete Dehnraten und Temperaturen (23 °C, 40 °C, 75 °C). Eine numerische Simulation bildete die Zugversuche ab und zeigte eine gute Übereinstimmung der experimentellen und der numerischen Ergebnisse.

Darauffolgend wurde das Tragverhalten der Insertverbindung untersucht und Auszugsversuche durchgeführt. Da diese Versuche dazu dienten, die Abbildbarkeit des mechanischen Verhaltens von SG zu überprüfen, folgte die Festlegung der Versuchsparameter der Prämisse, möglichst große Verformungen im SG hervorzurufen und ein frühzeitiges Versagen durch Metallfließen oder Glasbruch zu vermeiden. Die Auszugsversuche zeigten, dass bei geringen Verformungen ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen Kraft und Verformung besteht. Dabei wiesen die Versuche bei 23 °C die größte und bei 75 °C die geringste Steifigkeit auf. Mit zunehmender Verformung waren Ablöseerscheinungen (23 °C, 40 °C) bzw. Blasenbildung (75 °C) am Insertende und eine Abnahme der Steigung der Kraft-Verformungsbeziehung zu beobachten. Beim Erreichen der Maximallast war ein Versatz zwischen dem Insertende und dem SG zu erkennen.

Zur Berücksichtigung des visko-elastischen Verhaltens von SG wurde bei der numerischen Simulation der Insertverbindung ein iteratives Vorgehen verwendet, bei dem das Materialmodell an die beim Versuch auftretende Dehngeschwindigkeit angepasst wurde. Ein Vergleich der numerisch berechneten mit der experimentell ermittelten Kraft-Weg-Beziehung zeigte insbesondere bei Belastungsbeginn eine gute Übereinstimmung. Im Bereich größerer Verformungen bildete das numerische Modell die Versuche nur bedingt ab, da es kein Schädigungsmodell beinhielt, das die im Experiment auftretenden Ablöseerscheinungen erfasste. Dennoch war das numerische Modell geeignet, die Spannungsverteilung in der Insertverbindung bei geringer Belastung abzubilden und einen Vergleich der Spannungsverteilungen bei unterschiedlichen Geometrien zu ermöglichen.

Die numerische Analyse des Tragverhaltens zeigte, dass die Kraft flächig über das Insert und über eine Zugkraft am Insertende übertragen wurde. Dabei war die Kraftaufteilung abhängig von der Steifigkeit der Verbundpartner. Aufgrund des steifen Materialverhaltens von SG bei 23 °C wurde bei den gewählten Abmessungen die Last zu einem großen Anteil über die Insertfläche übertragen, wohingegen die geringere Steifigkeit von SG bei 75 °C eine große Zugkraft am Insertende hervorrief.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Insertgeometrie angepasst. Damit gelang es, bei gleicher Metallansichtsfläche und unter gleicher Belastung die Spannungsverteilung innerhalb der Insertverbindung zu beeinflussen und Spannungsspitzen zu reduzieren.

The introduction of a new interlayer material for laminated glass – SentryGlas® or SG – has enabled the development of an innovative glass connection technique in which a metal ele¬ment is embedded in the interlayer of the laminate and acts as a load-carrying device. This thesis focuses on the evaluation of the load transfer behavior of this connection under short-term tensile loading and the stress distribution within this multi-material system. A numerical analysis subsequently shows that the stress distribution can be manipulated by modifying the insert geometry, allowing stress concentrations to be significantly reduced through design optimization of the system.

Tensile tests on the interlayer material were performed to determine the material properties of SG at specific temperatures (23 °C, 40 °C, 75 °C) and loading rates. Material models were then derived from the experimental results to allow numerical simulation of the tensile tests. The simulated force-deformation relationship agreed well with the experimental data.

Pull-out tests of the proposed metal insert system were then carried out to study its load-bearing behavior and to verify the material models using numerical analysis. To minimize the influence of measurement errors, the specimens were designed so that the majority of the deformation would occur in the SG and so that glass failure and metal yielding would be avoided. The initial force-displacement relationship was found to be linear, and because the material properties of SG are highly temperature-dependent, a much stiffer behaviour was observed at 23 °C than at 75 °C. After a period of initial deformation the stiffness was found to decrease, and a loss of adhesion (23 °C, 40 °C) or the formation of bubbles (75 °C) at the end of the insert was observed. When the peak load was reached, a gap between the end of the insert and the SG was clearly visible.

To account for the viscoelastic behaviour of SG in the numerical simulation of the pull-out test, an iterative scheme was employed. In this scheme the SG material model was adjusted until the strain rate of the analysis corresponded to the strain rate observed during the experi¬ments. The simulated force-deformation relationship was compared to the experimentally recorded data, and a good agreement was found, especially in the initial deformation range. For large deformations the agreement was not as close, because the numerical model did not include a damage model. The adhesion failure observed in the test specimens – which re¬duced the initial stiffness – could therefore not be modelled. The numerical model can, how¬ever, approximate the initial behaviour quite accurately, and can be used to evaluate the stress distribution within the multi-material system. It can also be applied to compare the stress distributions of different insert geometries.

The numerical analysis shows that the load-bearing mechanism of the proposed connection comprises two components: load is transferred over the embedded surface area of the metal insert, and at the insert end. It was determined that the force transferred by each component depends on the relative stiffnesses of the different elements in the multi-material system. Around 23 °C SG is relatively stiff, and most of the force at this temperature is transferred over the embedded surface area, whereas at 75 °C, the decreased stiffness of SG results in a relatively high tensile force at the insert end.

Finally, with these insights in mind the insert geometry was modified, resulting in a significant reduction in peak stresses with the same embedded metal area and applied load