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Beitrag zur versuchstechnischen und numerischen Beschreibung von Verbundglas mit PVB-Zwischenschicht im intakten und gebrochenen Zustand
Botz, Martin
Neubiberg (Deutschland)
Selbstverlag
2020, 215 S., Abb., Tab., Lit.
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[Quelle: http://d-nb.info]
Die Verwendung von Verbundglas im konstruktiven Glasbau hat in den letzten Jahrzenten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Durch die Kombination von Glasscheiben mit einer polymeren Zwischenschicht werden im Bruchfall die Glasfragmente zusammengehalten und eine gewisse Resttragfähigkeit ist vorhanden. Die Kenntnis über das Materialverhalten der Zwischenschicht ist dabei sowohl im intakten als auch im gebrochenen Zustand von elementarer Bedeutung, um das Tragverhalten nachzuvollziehen und Bemessungsgrößen berechnen zu können. Zurzeit ist Polyvinylbutyral (PVB) der gebräuchlichste Zwischenschichttyp und Gegenstand der hier durchgeführten Untersuchungen. Die Untersuchung des intakten Zustandes eines Verbundglases ist Gegenstand des ersten Teils dieser Arbeit. Im intakten Zustand ist die Bestimmung des zeit- und temperaturabhängigen Schubmoduls der polymeren Zwischenschicht für die Bemessung der wesentliche zu untersuchende Parameter. Dazu können Versuche an der reinen Zwischenschicht durchgeführt werden, welche über Großbauteilversuche validiert werden müssen. Eine Versuchs- und Auswertemethodik für die Durchführung solcher Großbauteilversuche als Biege- und Torsionsversuch wird detailliert beschrieben und diskutiert. Dabei wird auch auf den Einfluss von Messfehlern eingegangen und aufgezeigt, dass dieser Einfluss nicht linear über dem Schubmodulbereich liegt. Die Ergebnisse können für die Kalibrierung eines Teilsicherheitsbeiwertes für PVB genutzt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der gebrochene Zustand eines Verbundglases näher untersucht. Hier steigt die Zahl der Einflussfaktoren auf das Tragverhalten. Die Verformungen der Glaskonstruktion können so groß werden, dass die Verzerrungen in der Zwischenschicht den linearen viskoelastischen Bereich übersteigen. Mittels Relaxationsversuchen bei großen Verzerrungen wird dokumentiert, dass sich die Zeitabhängigkeit auch für große Verzerrungen nicht ändert. Lediglich die Einzelfedersteifigkeiten im generalisierten Maxwell-Modell sind außerhalb des linearen Bereichs anzupassen. Darüber hinaus kann über Risse im Glas Feuchtigkeit an die Zwischenschicht gelangen. Da PVB ein hygroskopischer Werkstoff ist, wird Feuchtigkeit absorbiert, was zu Veränderungen im Steifigkeitsverhalten führt. Kriechversuche bei verschiedenen Luftfeuchten deuten darauf hin, dass PVB ein feuchte-rheologisch einfaches Materialverhalten aufweist. Analog zum Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip (ZTV) wird ein Zeit-Feuchte-Verschiebungsprinzip für PVB eingeführt. Eine erhöhte Luftfeuchtigkeit führt wie eine Erhöhung der Temperatur zu einer signifikanten Reduzierung der Steifigkeit von PVB. Neben diesen Untersuchungen an der reinen Zwischenschicht, wird über Bauteilversuche an Verbundglas das Tragverhalten im gebrochenen Zustand untersucht. Dazu wird ein ganzheitlicher Versuchsansatz verfolgt, bei dem am gleichem Probekörper verschiedene Versuche zur Resttragfähigkeit durchgeführt werden. Through-Crack-Bending (TCB) Versuche verdeutlichen den Einfluss der Haftung der Zwischenschicht, der Temperatur, des Lastniveaus und der Glasdicke. Dabei kann aufgezeigt werden, dass je nach Rissmuster im Verbundglas, sich sowohl ein zu hoher als auch ein zu niedriger Haftgrad negativ auf das Resttragverhalten auswirken können. Zudem kann gezeigt werden, dass es im Versatz zwischen zwei Rissen zu Delaminationserscheinungen auf Grund eines reinen Schubspannungszustands kommt. Diese Beobachtung kann durch Haftscherversuche an Probekörpern, welche aus den TCB-Probekörpern entnommen werden, validiert werden. Zusätzlich werden Pummelversuche an den TCB-Probekörpern durchgeführt, mit dem Ziel, über einen einfachen Bauteilversuch die Resttragfähigkeit eines Verbundglases quantifizieren zu können. Insgesamt korrelieren die Ergebnisse zwischen den drei Versuchen in Bezug auf die Versagensdauer im TCB-Versuch, maximale Haftscherfestigkeit im Haftscherversuch und erzieltem Pummelwert nur bedingt, so dass eine Bewertung der Resttragfähigkeit eines Verbundglases über einen der Versuche nicht valide zu realisieren ist. Die Ergebnisse können allerdings für die Entwicklung eines expliziten numerischen Modells eines gebrochenen Verbundglases genutzt werden und verdeutlichen die Komplexität dieser Thematik. Neben diesen Versuchen zur Bewertung von gebrochenem Verbundglas aus grob brechendem Glas, werden uniaxiale Zugversuche an gebrochenem Verbundglas aus Einscheibensicherheitsglas (ESG) durchgeführt. Hierüber kann gezeigt werden, dass die Glasfragmente zu einer hohen Versteifung des Systems führen und in der Bemessung von gebrochenem Verbundglas aus ESG nicht vernachlässigt werden sollten. Die Charakterisierung des Materialverhaltens kann hierbei vereinfacht über ein trilineares Materialmodell erfolgen. Abschließend werden die Ergebnisse in Bezug auf die aktuelle Normung im konstruktiven Glasbau diskutiert und Vorschläge für die Überarbeitung und Ergänzung der Normung dargelegt.
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