Ein Beitrag zur Auslegung tragender Klebverbindungen im Fassadenbau

Die Dimensionierung von tragenden Klebverbindungen ist normativ nicht geregelt. Dies erschwert die Anwendung dieser Fügetechnologie. In der vorliegenden Dissertation werden Untersuchungen zur Auslegung tragender Klebverbindungen im Glas- und Fassadenbau beschrieben.
Das wesentliche Kernelement ist hierbei die Analyse des zeit- und temperaturabhängigen Tragverhaltens der Klebverbindungen unter Berücksichtigung der Einwirkungsvorgänge.
Es wird zunächst der Stand der Technik mit dem Fokus auf das Trag- und Versagensverhalten von Klebverbindungen aufgearbeitet. Das mechanische Verhalten der Klebschicht wird anhand relevanter theoretischer Grundlagen der Polymermechanik sowie der Werkstofftechnik erläutert. ... mehrIn Ergänzung werden Methoden zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens dargelegt und Vorgehensweisen zur Versagensprognose sowie Dimensionierung aufgeführt.
Auf dieser Basis werden ausgewählte klimatische Einwirkungsvorgänge analysiert. Dies geschieht zunächst durch systematische Analyse des Temperaturverlaufs in geklebten Verbindungen durch Freiluftmessungen. Hierbei werden Temperaturen in Klebschichten unter Einwirkung solarer Strahlung sowie der Lufttemperatur messtechnisch erfasst und analysiert. Anhand der Erkenntnisse werden Rückschlüsse sowohl auf auftretende Temperaturänderungsraten als auch auf die Wirkungsdauer ermittelt. Auf Basis dieser Ergebnisse wird anhand historischer Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes die Wirkungsdauer klimatischer Einwirkungsgrößen in Abhängigkeit von der Lasthöhe analysiert und in Form von Lastkollektiven beschrieben.
An drei verschiedenen Klebstoffen werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Hierzu werden diese zunächst mit Hilfe verschiedener Experimente werkstofftechnisch charakterisiert.
In der anschließenden Hauptversuchsreihe wird das Verhalten von querdehnbehinderten Klebverbindungen unter Zugbeanspruchung untersucht. Durch die Verwendung verschiedener Querschnittsvariationen (Breite-/Höhe-Verhältnisse) wird der Einfluss der Geometrie auf das Trag- und Versagensverhalten untersucht. Die Experimente werden unter Einfluss verschiedener Parameter (Temperaturen, Dehnrate, Feuchte) durchgeführt.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird das Tragverhalten der linienförmigen Klebverbindung analytisch wie auch numerisch untersucht. Zunächst werden sowohl analytisch als auch numerisch die Beanspruchungszustände im querdehnbehinderten Zugexperiment analysiert. Auf dieser Grundlage wird ein analytisches Modell zur Prognose des geometrieabhängigen Eintretens von Kavitationseffekten unter Zugbeanspruchung hergeleitet. Die Prognosefähigkeit dieses Modells wird anhand der durchgeführten experimentellen Untersuchungen validiert. Ferner wird der Einfluss von Zeit und Temperatur auf das Eintreten dieser Kavitationseffekte betrachtet. Hierzu wird durch die Anwendbarkeit der Zeit-Temperatur-Verschiebung gezeigt, dass verschiedene Experimente und Probenformen den identischen Relaxationsmechanismen folgen. Anhand eines abschließenden Berechnungsbeispiels unter Anwendung eines zuvor zeit-und temperaturabhängig kalibrierten visko-elastischen Werkstoffmodells wird der Einfluss der Temperatur auf den Ausnutzungsgrad eines Fugenabschnittes unter Windbelastung aufgezeigt.

The dimensioning of load-bearing adhesive joints is not regulated within codes, which complicates the use of this joining technology in glass and façade construction. In this dissertation, investigations into the design of load-bearing adhesive joints in glass and façade construction are described.
The main element here is to analyze of the time- and temperature-dependent properties of the load scenarios as well as the mechanical properties of the considered adhesive bonds.
First of all, the state of the art is outlined with a focus on the load-carrying and failure behavior of adhesive joints. ... mehrThe mechanical behavior of the adhesive layer is explained based on relevant theoretical fundamentals of polymer mechanics and materials engineering. In addition, methods for describing this material behavior are described and failure prediction procedures are listed.
On this basis, selected climatic loads are analyzed. This is achieved first through systematic analysis of the temperature profile in bonded joints by an open-air measurement. Here, temperatures in adhesive layers under the influence of solar radiation and air temperature are measured and analyzed. Based on these findings, conclusions are drawn on occurring temperature change rates as well as the duration of the load. Based on these results, the duration of effect of climatic influence variables as a function of the load height is analyzed using historical weather data of the German Meteorological Service and described in the form of load collectives.
Extensive experimental investigations are carried out on three different adhesives. For this purpose, these are first materially characterized by means of various experiments.
In the following main series of experiments, the behavior of joint-like specimen under tensile stress is investigated. By using different cross-sectional variation (width / height ratios), the influence of geometry on load-bearing and failure behavior is investigated. The experiments are carried out under the influence of various parameters (temperatures, strain rate, humidity).
Based on these findings, the bearing behavior of the linear adhesive bond is investigated analytically and numerically. First, the stress states are analyzed analytically as well as numerically in the transversaly-constrained tensile experiments. On this basis, an analytical model for predicting the geometry-dependent occurrence of cavitation effects under tensile stress is derived. The predictive capability of this model is validated by experimental studies. Furthermore, the influence of time and temperature on the occurrence of these cavitation effects is investigated. For this purpose, based on the applicability of the time-temperature shift it is shown that different experiments and sample forms follow similar relaxation mechanisms. Based on a final calculation example using a previously calibrated visco-elastic material model, the influence of temperature on the degree of load capability of a joint section under wind load is shown.