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Aug 04, 2023

Materialauswahl und Charakterisierung für einen neuartigen Rahmen

Datum: 23. Februar 2023 Autor: Mercedes Gargallo, Belarmino Cordero und Alfonso Garcia-Santos Quelle: Materialien 2021, MDPI

Datum: 23. Februar 2023

Autoren: Mercedes Gargallo, Belarmino Cordero und Alfonso Garcia-Santos

Quelle:Materialien 2021, MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/ma14081896

(Dieser Artikel gehört zur Sonderausgabe Advances in Construction and Building Materials)

Vorhangfassaden sind die Fassade der Wahl in Hochhäusern und ein unverzichtbares Element der Architektur einer modernen Stadt. Bei herkömmlichen Vorhangfassaden werden die Glaspaneele einfach durch den Metallrahmen getragen, der die auftretende Last auf die Gebäudestruktur überträgt. Das Fehlen einer Verbundwirkung zwischen Glas und Metall führt zu tiefen Rahmen, die nach innen ragen, wertvollen Raum einnehmen und zu optischen Störungen führen. Als Reaktion auf die begrenzte Leistung herkömmlicher Systeme wird eine innovative, rahmenintegrierte Elementfassade vorgeschlagen, die die Bautiefe auf ein Fünftel (80 %) reduziert, einen bündigen Innenabschluss ermöglicht und nutzbaren Raum gewinnt. Die neuartige Vorhangfassade wird durch die Verbindung eines Rahmens aus pultrudiertem glasfaserverstärktem Polymer (GFRP) mit dem Glas erreicht, wodurch eine Verbund-Isolierglaseinheit (IGU) entsteht. In diesem Artikel werden die geeigneten Rahmen- und Klebematerialien ausgewählt. Dabei werden mechanische Tests an GFRP-Pultrusionen durchgeführt, um Festigkeit und Elastizität zu charakterisieren, sowie an GFRP-Glas-Verbindungen, um Versagensmodul und Festigkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse der Materialtests werden in einem computergestützten numerischen Modell einer GFK-Glas-Verbundplatte verwendet, um die strukturelle Leistung unter realistischen Windlasten vorherzusagen. Die Ergebnisse bestätigen, dass eine Reduzierung auf ein Fünftel möglich ist, da die zulässigen Durchbiegungen innerhalb der Grenzen liegen. Es weist auch darauf hin, dass die an die Stütze angrenzenden GFK-Bereiche möglicherweise verstärkt werden müssen, um Scherspannungen zu reduzieren.

Außenhüllen sind das Abbild jedes Gebäudes und bilden einen grundlegenden Bestandteil des Städteszenarios. Die Baubranche beschäftigt sich ständig mit der Entwicklung neuer Bausysteme [1]. Herkömmliche Gebäudehüllen aus Ziegelsteinen oder schweren Gebäudehüllen werden seit Jahrzehnten durch leichte Gebäudehüllen wie Metall-Glas-Fassaden und belüftete oder hinterlüftete Wände ersetzt [2]. Metall- und Glasfassaden, sogenannte Vorhangfassaden, werden aus Metallrahmen gebaut, wobei die Räume mit Glas gefüllt sind [3]. Heutzutage sind Vorhangfassaden ein unverzichtbares Element der Architektur einer modernen Stadt [4]. Die beiden wichtigsten Vorhangfassadensysteme sind in Stabbauweise gefertigt und bestehen aus Elementen [5]. Das Pfostensystem war das erste Vorhangfassadensystem mit einem Metallgerüst aus vertikalen Pfosten und horizontalen Riegeln, die am Gebäude befestigt waren und vor Ort installierte Glasplatten trugen [6].

Elementarfassadensysteme bestehen aus Verkleidungseinheiten, bei denen Fassadenpaneele (typischerweise Glas, Metall oder Stein) und metallische Rahmenelemente (Pfosten und Riegel) im Werk vormontiert und dann zur Baustelle transportiert und an den tragenden Elementen in den Gebäuden befestigt werden , normalerweise über vormontierte Konsolen entlang der Kante der tragenden Bodenplatte. Elementfassadensysteme sind das Fassadensystem der Wahl bei Hochhäusern, da die vorgefertigte Montage der Elemente eine hohe Qualität gewährleistet und eine schnelle Installation ohne externen Zugriff ermöglicht [7]. Die aktuelle Generation modularer Vorhangfassadensysteme ist darauf ausgelegt, seitliche Lasten, typischerweise windinduzierte Drücke, auf die tragenden Bodenplatten zu übertragen [8]. Dies wird dadurch erreicht, dass die Fassadenplatten einfach von den Fassadenrahmenelementen getragen werden, die ihrerseits die Lasten durch Überspannung zwischen den Bodenplatten übertragen.

1.1. Einschränkungen herkömmlicher Vorhangfassaden

Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas und Metall erfordern herkömmliche Vorhangfassadensysteme einen flexiblen Kleber, der die Möglichkeit einer strukturellen Verbundwirkung zwischen Glas und Rahmen einschränkt.

Das Fehlen einer Verbundwirkung zwischen den Glasscheiben und den Rahmen führt zu tiefen Profilen, die in wertvollen Raum eindringen, nach innen ragen und eine optische Störung verursachen. Darüber hinaus bestehen die Fassadenrahmenelemente häufig aus Aluminiumlegierungen oder anderen Metallen mit charakteristisch hoher Wärmeleitfähigkeit, was zu einer erheblichen Wärmeübertragung an den Fassadenrahmenelementen führt. Dies kann teilweise durch die Einführung von thermischen Trennungen in den Fassadenrahmenelementen behoben werden, was jedoch die Komplexität und Gesamttiefe der Vorhangfassade erhöht.

1.2. Stand der Technik

Zahlreiche Untersuchungen befassen sich mit den mechanischen Eigenschaften des Glasfaserverstärkungspolymers GFK [9,10]. Wurm [11] führte eine Untersuchung durch, die den Bau von drei Proof-of-Concept-Modellen von GFK-Glas-Verbundeinheiten mit zwei Glasscheiben abschloss, die mit GFK-Profilen verklebt waren, die parallel entlang des Verglasungshohlraums angeordnet waren. Petersen [12] verfolgte ein Fenstersystem mit GFK-Profilen, die mit einer Isolierglaseinheit (IGU) verbunden sind, mit dem Ziel, ein Verbundstrukturverhalten und einen niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten zu erreichen. Seele [13] untersuchte eine rahmenlose IGU mit einem Hohlraum-Abstandshalter, der strukturell mit der Glaseinheit verbunden ist. Der von Bedon et al. vorgeschlagene GFK-Glasbalken. [14,15] zielte darauf ab, das Verbundverhalten eines Trägers zu optimieren, der aus zwei monolithischen Glasflächen besteht, die strukturell mit einem pultrudierten GFK-Kernprofil verbunden sind [16]. Alle diese früheren Forschungsstudien konzentrierten sich auf Proof-of-Concept-Prototypen. Es liegen begrenzte Untersuchungen zur Anwendbarkeit auf Vorhangfassadensysteme bzw. Testergebnisse vor.

Die Größenknickung komprimierter Bernoulli-Euler-Nanostrahlen wurde von Barretta et al. mithilfe eines spannungsgesteuerten nichtlokalen Kontinuumsmechanismus untersucht. [17]. Darüber hinaus wurden von Pinnola et al. Strategien zur Vorhersage der Versteifung und der dynamischen Reaktionen moderner Nanoverbundstrukturen vorgeschlagen. [18]. Nichtlineare Analysen von laminierten, mit funktional abgestuften Graphenplättchen verstärkten Balken, die auf einem elastischen Fundament ruhen und auf einem zweiphasigen, spannungsgesteuerten, nichtlokalen Modell basieren, wurden von Ansari et al. untersucht. [19]. Es gibt jedoch keine ausreichend validierten analytischen oder mathematischen Modelle der mechanischen Reaktion von GFK-Glas-Verbundeinheiten, um daraus Schlussfolgerungen ziehen zu können.

Im Baubereich wird eine große Bandbreite an Kleb- und Dichtstoffen eingesetzt, wie z. B. Polyurethan, Epoxide, Polyamide, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, Acrylate, Poly(vinylacetate), Silikone etc. [20]. Je nach Notwendigkeit ihrer Anwendung gibt es auch Klebstoffe in den unterschiedlichsten Festigkeitsstufen [21]. Für tragende Stahl-Glas-Verbindungen wurden fünf Klebstoffkandidaten untersucht. Im Rahmen dieser Studie führte Overend [22] mechanische Tests und mathematische Modellierungen durch, um die Machbarkeit der Klebeverbindungen zu beurteilen. Ein vergleichbares Protokoll wurde von Nhamoinesu und Overend [23] durchgeführt, die Klebstoffe für eine Stahl-Glas-Verbundeinheit untersuchten, die auf Fassadensysteme aufgetragen werden können. Frühere Untersuchungen zu Klebstoffen für die Glasverklebung, die als Grundlage für diese Studie dienten, waren: (a) Belis et al. [24], der Silikone, Polyurethane, MS-Polymere, Acrylate und Epoxidharze zur Verbindung von Glas mit Metall untersuchte, (b) Peters [25], der seine Forschung auf Klebstoffe für Glas und Glasfaser konzentriert, und (c) Blues et al. [26], der die Verbindung von Glas und Metall erforschte, konzentrierte sich auf die Lastübertragung und das Versagensverhalten für Fassadensystemanwendungen.

1.3. Vorgeschlagener Entwurf

Ein herkömmliches Vorhangfassadensystem mit tiefem Rahmen, der aus der Verglasungseinheit herausragt, ist in Abbildung 1 dargestellt. Das vorgeschlagene GFK-Glas-Verbundsystem basiert auf einem GFK-E-Profil, das entlang der vier Kanten einer IGU verklebt ist, wie in Abbildung 2 skizziert. Das Fehlen des Metallrahmens verringert die Wärmedurchlässigkeit und die Verwendung eines steifen Klebstoffs aktiviert das Verbundverhalten zwischen Glas und GFK-Rahmen. Darüber hinaus wird das GFK-Profil innerhalb der Breite des IGU-Hohlraums platziert, sodass kein Rahmen aus der Verglasungseinheit herausragt.

Vorläufige Berechnungen wurden durchgeführt, um die strukturelle Machbarkeit des ursprünglichen Entwurfs zu beurteilen. Diese Berechnungen deuteten darauf hin, dass das vorgeschlagene System die gleichen Winddruckabweichungskriterien wie das herkömmliche System ohne Verbundwerkstoff erreichen könnte, dies jedoch in einem Fünftel der Tiefe, die das herkömmliche System erfordert. Allerdings waren die bei der GFK-Pultrusion erzeugten Schubspannungen fast dreimal höher als die von den Herstellern empfohlenen Auslegungsschubspannungen. Diese vorläufigen Berechnungen waren ausschlaggebend für die Ermittlung der Systemvariablen wie Rahmentiefe, -breite, Kleberdicke und GFK-Bahndicke.

Die vorläufige Strukturanalyse basierte jedoch auf der einfachen Biegetheorie von Euler-Bernoulli, d. h. Scherverformungen über die Tiefe der Verbundeinheit und Scherverzögerung über die Breite der Verbundplatte werden ignoriert. Darüber hinaus gehen die vorläufigen Berechnungen davon aus, dass die Materialien linear elastisch sind, wodurch die zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften der Klebstoffe und des GFK außer Acht gelassen werden. Daher ist es wichtig, die nichtlineare Reaktion der Materialien zu charakterisieren und diese Eigenschaften in einer nichtlinearen Finite-Elemente-Analyse einer modularen GFK-Glas-Verbundplatte zu verwenden.

Die Neuheit des in dieser Forschungsarbeit untersuchten zusammengesetzten Elementfassadensystems besteht darin, dass der Rahmen pultrudiert (GFRP) ist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der dem des Glases ähnelt. Diese Ähnlichkeit ermöglicht die Verwendung steiferer Klebstoffe mit dünneren Verbindungslinien, die die Verbundwirkung zwischen Glasscheiben und Rahmen aktivieren. Der zusätzliche Vorteil des pultrudierten GFK besteht in einer geringeren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Aluminium, was die Wärmeübertragung und das Risiko von Kondensation verringert [27].

1.4. Studienziele

Als Reaktion auf die begrenzte Leistung herkömmlicher Systeme wird eine innovative, rahmenintegrierte Elementfassade vorgeschlagen, um die Bautiefe deutlich zu reduzieren, einen bündigen Innenabschluss zu ermöglichen und die Wärmeübertragung an den Verbindungsstellen zu reduzieren. Der vorgeschlagene Entwurf integriert die Prinzipien der Verbundstrukturwirkung in eine schlanke, modulare Vorhangfassade mit dem Ziel einer effizienteren Materialnutzung zur Reduzierung der Strukturtiefe.

Dieser Artikel untersucht und charakterisiert mögliche Rahmen- und Klebematerialien für diese neuartige rahmenintegrierte Elementfassade durch mechanische Tests und verwendet diese Testdaten auf Materialebene anschließend in einem numerischen Modell einer GFK-Glas-Verbundplatte, die realistischen Belastungen ausgesetzt ist.

Die neuartige Vorhangfassade entsteht durch die Verklebung eines pultrudierten GFK-Rahmens mit der Kante von Flachglasplatten, wodurch eine Verbund-Isolierglaseinheit (IGU) entsteht. Abbildung 3 zeigt die Methodik für Tests und Ergebnisbewertung. An möglichen GFK-Pultrusionen werden Vierpunkt-Biegetests durchgeführt, um die Scherfestigkeit und den Elastizitätsmodul zu charakterisieren. Im Anschluss daran werden Einzelscherversuche an GFK-Glas-Verbindungen durchgeführt, um den Klebstoff auszuwählen und Versagensmodul und Festigkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse der mechanischen Tests werden in ein numerisches Modell eingespeist, um die strukturelle Leistung des vorgeschlagenen Systems vorherzusagen.

2.1. Materialien

2.1.1. GFK-Proben

Bei der Auswahl der GFK-Proben wurden folgende Variablen untersucht: (i) die Zusammensetzung der Matrix; Polyester- oder Phenolharze [28] und (ii) die Wirkung erhöhter Temperaturen [29]. Insgesamt 40 pultrudierte GFK-Stäbe, hergestellt gemäß BS EN 13706-1:2002 [30] und mit den Maßen 150 mm × 20 mm × 5 mm, wurden gemäß Tabelle 1 getestet. Die Glasfasern waren in allen Bereichen in Längsrichtung ausgerichtet Exemplare.

Tabelle 1. Anzahl der Proben für jeden Variablensatz.

Einige der Proben wurden einer Wärmebehandlung unterzogen, um etwaige Abweichungen zu simulieren, die durch die Einwirkung von Sonneneinstrahlung oder hohen Temperaturen während der Aushärtung auftreten könnten. Diese Proben wurden 30 Minuten lang bei 130 °C in einen Ofen gelegt und vor dem Test bei Umgebungsbedingungen abkühlen gelassen.

2.1.2. Klebeproben

Die Auswahl des Kandidatenklebstoffs für diese Studie basierte auf den verfügbaren technischen Daten des Herstellers Fiberline [31]; Jäger [32]; 3M Scotch-Weld [33]; Dow Corning [34] und frühere Forschungsstudien zum Kleben von Klebstoffen [22,24,25,26,35]. Darüber hinaus wurden bei der Auswahl des Materials mehrere Überlegungen berücksichtigt. Kandidaten für Klebstoffe sollten:

Auf der Grundlage des oben Gesagten wurde eine Reihe von Acrylaten, Epoxidharzen und Silikonen für diese Studie ausgewählt. Es wurden auch unterschiedliche Dicken berücksichtigt, wie in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2. Ausgewählte Klebstoffkandidaten für einen einzelnen Laborschertest.

2.1.3. Glas zum Testen

Das im Einzelüberlappungsschertest verwendete Glas waren vorgespannte Glasscheiben gemäß BS EN 12150-2:2004 [40]. Die Größe der Glasscheibe betrug 300 x 300 mm und die Dicke betrug 10 mm. Die Glasscheiben waren bei allen Exemplaren gleich.

2.2. Methoden

2.2.1. Vierpunkt-Biegetest

Die Ausrüstung für den Vier-Biege-Test basierte auf ASTM D7264/D7264M-07 [41]. Das Prüfgerät war ein Instron 5567 (Instron, Norwood, MA, USA) mit einer 30-kN-Lastzelle bei einer Belastungsgeschwindigkeit von 2 mm pro Minute. Zur Platzierung der GFK-Stäbe wurden zwei Rundstützen gleicher Höhe verwendet. Die Stützen wurden in einem Abstand von 135 mm angeordnet und mit der Mitte auf die Mittellinie des mit dem Prüfgerät verbundenen Querhaupts ausgerichtet. Die Querköpfe befanden sich im Abstand von 75 mm. Die GFK-Stäbe wurden in der Mitte mit einer Stahlplatte eingespannt. Zur Messung der Durchbiegung der GFK-Stäbe wurden zwei Verschiebungsmessgeräte verwendet: Das erste Messgerät maß die Verschiebung der Stahlplatte und das zweite am Querhaupt. Der Aufbau des Vierpunkt-Biegeversuchs ist in Abbildung 4 dargestellt.

Die Messgeräte zeichneten alle 0,25 s Verschiebungen auf und für jede Messung wurden die Elastizitätsmodule berechnet. Die Scherfestigkeit wurde nach Gleichung (1) berechnet:

Dabei ist τBeam die Scherspannung des Balkens an einem bestimmten Punkt, V die Scherkraft, Ac die Schnittfläche über der Schnittlinie und y′ die Spannweite vom Mittelpunkt der Fläche über der Schnittlinie bis zum Schwerpunkt des Gesamtquerschnitts , I ist das zweite Flächenmoment des Gesamtquerschnitts und a ist die Breite des Abschnitts an der Schnittlinie.

Der Elastizitätsmodul wurde nach Gleichung (2) berechnet:

Dabei ist E der Elastizitätsmodul, M das aufgebrachte Moment, I das zweite Flächenmoment und R der Krümmungsradius.

2.2.2. Einzelüberlappungsschertest

Die für den Einzelüberlappungsschertest verwendete Ausrüstung entsprach ASTM D1002 [42]. Das Gerät war ein Instron 5500R (Instron, Norwood, MA, USA) mit einer 150-kN-Lastzelle. Es wurde eine Glasplatte mit zwei GFK-Stäben verwendet, die an zwei gegenüberliegenden Seiten der Platte befestigt waren. Die Stäbe wurden an der Vorrichtung und an Verschiebungsmessgeräten festgeklemmt. Eine L-förmige Stahlplatte wurde 80 mm von der Glaskante entfernt aufgeklebt, wobei die Messsonde die Platte berührte. Die Messgeräte maßen die vertikale Verschiebung für jede Klebefuge. Um eine Messung der Dehnung der GFK-Stäbe zu vermeiden, wurden die Verschiebungsmessgeräte an der Innenkante nahe der Stahlstelle befestigt. Der Testaufbau ist in Abbildung 5 dargestellt.

Das Protokoll zum Auftragen des Klebstoffs war das gleiche, einschließlich Aushärtungstemperatur und -druck für alle Klebstoffkandidaten, mit Ausnahme der TSSA, die den Empfehlungen des Herstellers folgte [34]. Der zu prüfende Klebstoff wurde auf einer ähnlichen Fläche aufgetragen. Um für jede Anwendung die richtige Dicke zu erreichen, wurden Unterlegscheiben verwendet.

Die Testausrüstung verursachte bis zum Versagen eine Verschiebung in der Ebene von 0,2 mm pro Minute. Beim Versagen wurden Belastung, Dehnung und Scherspannung aufgezeichnet. Die Verschiebung wurde bis zum Versagen mit 0,2 mm pro Minute aufgezeichnet.

2.2.3. Computerverifizierungsmethode

Software und Modell

Die Glas-GFK-Verbundeinheit wurde in einer Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Software namens LUSAS v14.5 (LUSAS, Kingston upon Thames, UK) modelliert. LUSAS ist eine Software, die für die Analyse von Verbundprodukten und -komponenten entwickelt wurde. Es ermöglicht statische und modaldynamische Analysen unter Verwendung von Balken-, Schalen-, Volumen- und Verbindungselementen sowie Verbundelementen. Abbildung 6a zeigt die Geometrie des bewerteten nichtlinearen elastischen Modells. Es wurde ein tetraedrischer Elementtyp mit vier Knoten verwendet, bei dem es sich um ein dreidimensionales isoparametrisches finites Element mit linearer Interpolationsordnung handelt.

Die Glas-GFK-Verbundeinheit wurde auf beiden Achsen (x und y) als symmetrisch betrachtet. Daher wurde nur ein Viertel der Einheit modelliert. An Punkt B des in Abbildung 6a gezeigten GFK-E-Profils wurde eine Halterung außerhalb der Ebene hinzugefügt, wobei davon ausgegangen wird, dass es sich dabei um die Verbindungshalterung zur Primärstruktur handelt. Symmetrische Randbedingungen wurden auf die yz-Ebene an der CD-Kante und auf die xz-Ebene an der AD-Kante angewendet (Abbildung 6a).

Die Glasscheiben wurden mithilfe eines 10 mm dicken Netzes modelliert und in vier Elemente unterteilt. Das GFK-E-Profil wurde mithilfe eines 5 mm dicken Netzes modelliert und in ein Element unterteilt, das dem Klebstoff entspricht, jedoch eine Dicke von 2 mm aufweist (Abbildung 6b). Aufgrund der zu erwartenden größeren Verschiebungen und höheren Spannungsgradienten wurden GFPR und Klebstoff in kleineren Abschnitten modelliert.

Die Ausgabe wird an jedem Elementknoten und Gauß-Punkt berücksichtigt. Jeder Knoten und Punkt hatte sowohl direkte als auch Scherspannungs- und Dehnungswerte. Die Ergebnisse werden basierend auf der konstitutiven Beziehung an den Element-Gauß-Punkten berechnet. Zur Berechnung der Knotenspannungen aus den Gauß-Punkten erfolgt eine Extrapolation gemäß den Gleichungen (3) und (4):

Dabei ist N die Anzahl der Gauß-Punkte, i die Knotenpunktwerte und I der Gauß-Punktwert.

Angewandte Last

Bei Vorhangfassaden ist im Allgemeinen die Windlast die dominierende Belastung, die je nach Belastungsdauer variieren kann. Für diese Studie wurden zwei Windlastdauern gewählt: eine hohe Last über einen kurzen Zeitraum (Lastfall 1) und eine niedrige Last über einen langen Zeitraum (Lastfall 2). Ziel war es, den Einfluss der Belastungsdauer auf die Veränderung des Elastizitätsmoduls von GFK und Klebstoff zu beurteilen.

Bauvorschriften werden häufig verwendet, um Windlastdrücke auf Fassaden zu übertragen. Ziel der Codes ist es, die dynamische Einwirkung des Windes zu interpretieren und zur Lastberechnung in eine statische Einwirkung umzuwandeln. Die Bauvorschriften basieren auf der grundlegenden Windgeschwindigkeit, wobei mehrere gebäudespezifische Faktoren berücksichtigt werden: Böeneffekte, Innendruck, Gebäudehöhe usw. Die grundlegende Windgeschwindigkeit variiert je nach Vorschrift und Standort.

BS EN 1991-1-4 [43] geht von einer durchschnittlichen 10-Minuten-Windgeschwindigkeit mit einem jährlichen Überschreitungsrisiko von 0,02 aus. Die mittlere 10-Minuten-Windgeschwindigkeit gilt als Hauptgrunddruck, während der Spitzengeschwindigkeitsdruck auf einem Belastungsdruck von einer Sekunde basiert. Die im Nationalen Anhang (NA) 2.17 [43] angegebenen Formeln werden in dieser Studie zur Berechnung der Ein-Sekunden-Böe (5) und für 10-Minuten-Wind (6) in einem städtischen Gelände verwendet:

Dabei ist qp der Spitzengeschwindigkeitsdruck und qb der mittlere Grundgeschwindigkeitsdruck. Ce(z) ist der Wert des Belichtungsfaktors gemäß NA.7 [43], Ce,T ist der Wert der Belichtungskorrektur gemäß NA.8 [43].

Ce(z) und Ce,T hängen von der Entfernung von der Küstenlinie und der Gebäudehöhe ab. Gemäß Code [43] wird der Grundgeschwindigkeitsdruck in 100 m Höhe über Grund ermittelt. Für diese Studie wurde eine Höhe von 100 m und ein Standort 10 km von der Küste entfernt angenommen, um den Winddruck abzuschätzen. Das Verhältnis zwischen Grundgeschwindigkeitsdruck und Spitzengeschwindigkeitsdruck wurde wie folgt mit 4 angenommen:

Die Lastfälle 1 und 2 wurden im FE gleichmäßig als q auf die Oberseite der Glasscheibe aufgebracht (Abbildung 6a).

Materialeigenschaften für die Computerüberprüfung

Die drei in der FEA-Analyse modellierten Materialien waren Glas, GFK und Klebstoff. Während dem Glas ein linear elastisches Material zugeordnet wurde, wurden GFK und Kleber als elastisch-ideal plastische Materialien eingestuft. Die verwendete Software könnte die Nichtlinearität geometrischer Formen berücksichtigen. Daher wird davon ausgegangen, dass die GFK-Glas-Verbundeinheit als nichtlinear-elastisches Modell bewertet wurde.

Tabelle 3 fasst die mechanischen Materialeigenschaften zusammen, die in die FEA-Analyse für die Lastfälle 1 und 2 eingegeben wurden, wie im Abschnitt „Angewandte Last“ beschrieben.

Tabelle 3. Mechanische Eigenschaften von Materialien.

3.1. Vierpunkt-Biegetest

Während des Vierpunkt-Biegetests lösten sich alle Proben aufgrund der horizontalen Scherbeanspruchung auf, wie in Abbildung 7a für Polyesterharz-GFK-Stäbe und in Abbildung 7b für Phenolharzstäbe dargestellt.

Die entnommene Probe erreichte eine analoge Scherfestigkeit hauptsächlich zwischen 17 MPa und 19 MPa, wie in Abbildung 8 dargestellt. Diese durchschnittliche Scherfestigkeit lag unter den ursprünglich vom Hersteller angegebenen 25 MPa [31].

Der berechnete Elastizitätsmodul ist in Abbildung 9 zusammengefasst. Langzeitbelastungen ergaben einen Elastizitätsmodul ähnlich den vom Hersteller angegebenen Werten [31] im Bereich von 23 MPa und 30 MPa. Für die kurzzeitigen Belastungen betrugen die erhaltenen Elastizitätsmodule jedoch das Doppelte und manchmal sogar das Dreifache des Wertes der Langzeitbelastungen, wie in Abbildung 9 zu sehen ist. Basierend auf diesem Ergebnis ist es folgerichtig zu beachten, dass der Elastizitätsmodul von GFK variiert je nach Belastungsdauer erheblich.

Basierend auf den erhaltenen Ergebnissen wurde der Schluss gezogen, dass es keine signifikanten Unterschiede bei den mechanischen Eigenschaften der untersuchten Variablen gab: Polyester- oder Phenolharze und die Auswirkung erhöhter Temperaturen.

3.2. Einzellabor-Schertest

Der Versagensmodus und die mittlere Scherfestigkeit des Klebstoffs wurden während des Testverfahrens aufgezeichnet und sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Es folgt ein kurzer Kommentar, der die Ergebnisse zu jedem Klebstoff beschreibt.

Tabelle 4. Zusammenfassung der Ergebnisse von Einzelüberlappungs-Schertests.

Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse, die während des einzelnen Laborschertests für jeden der in Frage kommenden Klebstoffe erzielt wurden, mit Ausnahme des Dow Corning TSSA, der abgelehnt wurde. Die 3M Scotch-Weld DP 490-Verklebung mit einer Dicke von 5 mm erzielte die höchste mittlere Scherfestigkeit. Hervorzuheben ist die Erhöhung der Flexibilität durch die Vergrößerung der Dicke von 3 mm auf 5 mm. Die abgeschliffene Version der Bindung Huntsman Araldite 2047 bot ebenfalls eine plausible Tragfähigkeit und zeigte vor dem Versagen eine gewisse plastische Verformung. Das 3M Scotch Weld 2216 B/A bot keine ausreichende Scherfestigkeit und wurde zusammen mit dem Dow Corning TSSA verworfen.

3.3. Computerverifizierung des vorgeschlagenen Systems

3.3.1. Glasablenkung

Basierend auf dem CWCT-Standard für systematisierte Gebäudehüllen [45] Abschnitt 3.5.2.5 betrug die zulässige Durchbiegungsgrenze 15 mm in der Mitte der IGU-Kante.

Die durch die beiden Lastfälle 1 und 2 erzeugte Durchbiegung, wie in Abbildung 11 dargestellt.

Die Ergebnisse der Glasdurchbiegung für (a) Lastfall 1 und (b) Lastfall 2 Abbildung 11 lagen innerhalb der Grenzwerte. Der Ausnutzungsgrad der Durchbiegung betrug für die Lastfälle 1 und 2 18 % bzw. 51 %.

3.3.2. Glaszugspannung

ASTM E 1300 [46] gibt die Grenze der Oberflächenspannung für wärmegehärtetes Glas und Zähigkeitsglas mit 46,6 MPa bzw. 93,1 MPa an.

Aus den in Abbildung 12 dargestellten Ergebnissen der FEA-Analyse lässt sich erkennen, dass die höchste Zugspannung in der Mitte der Glaslängskante auftrat. Die in den beiden Lastfällen 1 und 2 erzeugte Zugspannung, wie in Abbildung 12 dargestellt, lag innerhalb der Grenzwerte. Der Auslastungsgrad betrug 9 % bzw. 31 % für die Lastfälle 1 und 2 für das vorgespannte Glas und war folglich niedriger für das Zähigkeitsglas.

3.3.3. Adhäsive Scherspannung

Die Haftscherspannungsgrenze wurde anhand der in Abschnitt 3.2 erhaltenen Testergebnisse festgelegt. Die mittlere Scherspannung beim Versagen betrug für Huntsman Araldite 2047 mit abgeriebenem GFK 3,57 MPa und für 3M Scotch Weld DP 490 mit einer Dicke von 5 mm 4,70 MPa.

Die in Abbildung 13 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass beide Lastfälle 1 und 2 innerhalb der Grenzen lagen, die durch die Ergebnisse der Einzelschertests festgelegt wurden, und mit einem Auslastungsgrad von 16 % bzw. 55 % für Huntsman Araldite 2047 und folglich niedriger für 3M Scotch Weld DP 490.

3.3.4. GFK-Schubspannung

Die GFK-Scherspannungsgrenze wurde durch die in Abschnitt 3.1 ermittelten Ergebnisse des Vierpunkt-Biegetests festgelegt und lag bei 17 MPa. Die Ergebnisse des FEA-Modells deuteten darauf hin, dass das GFK-E-Profil aufgrund von Scherkräften versagen könnte, wenn es einem kurzzeitigen Lastfall mit einer Scherspannung ausgesetzt wird, die 2,5-mal größer ist als die in den Tests ermittelten Werte. Der Ort des Versagens des GFK-Profils lag in der Nähe des Auflagepunktes, wie in Abbildung 14 dargestellt.

Erwähnenswert ist, dass die in der FEA-Analyse ermittelte Scherfestigkeit in Längsrichtung deutlich geringer war als an Ecken. Diese geringere Scherfestigkeit ist darauf zurückzuführen, dass die Fasern hauptsächlich entlang der Längsachse ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Fasern in verschiedene Richtungen könnte den Vorteil haben, die Scherfestigkeit der Stäbe zu erhöhen.

4.1. Auswahl des GFK-Materials für den Rahmen

Die Ergebnisse des Vierbiegetests zeigten, dass es keine wesentlichen Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften der untersuchten Variablen gab. Daher wurde beschlossen, für den GFK-Rahmen eine Polyestermatrix zu verwenden, da diese eine feinere Optik aufweist und kostengünstiger ist. Es wurde auch der Schluss gezogen, dass das Durchwärmen unnötig war.

Die für die kurze Belastungsdauer erhaltenen Elastizitätsmodule waren doppelt bzw. dreimal höher als der Wert für die lange Belastungsdauer. Aufgrund dieser erheblichen Schwankung ist es von grundlegender Bedeutung, die Dauer der Belastung zu bestimmen, der der GFK-Rahmen ausgesetzt sein würde. Die in dieser Studie berücksichtigte Windlast entspricht der Norm BS EN 1991-1-4 [43], die davon ausgeht, dass die kurzzeitigen Lasten einen Faktor von 4 im Vergleich zu den langzeitigen Lastfällen haben.

Alle Proben erreichten eine analoge Scherfestigkeit, die in allen Fällen unter dem vom Hersteller angegebenen Wert lag [31]. Die FEA-Analyse ergab, dass der GFK-Stab in der Nähe des Stützpunkts versagen könnte, wenn er kurzzeitigen Belastungen ausgesetzt wird. Dies weist darauf hin, dass die Anfälligkeit der GFK-Glas-Verbundeinheit in der Scherfestigkeit an der Eckstütze liegt und die Erhöhung der Festigkeit in diesem Bereich weiter untersucht werden muss. Mögliche Verbesserungen könnten das Anbringen von Stahlplatten an den Ecken oder die Möglichkeit sein, die Glasfasern während der Pultrusion in verschiedene Richtungen zu verlegen [47].

4.2. Auswahl des Klebematerials für die Verklebung

Bei der Auswahl wurde für jeden Klebstoffkandidaten folgende Bewertung vorgenommen:

Basierend auf dem oben Gesagten wurde der Schluss gezogen, dass sowohl 3M Scotch Weld DP 490 als auch Huntsman Araldite 2047 potenzielle Klebstoffe für die GFK-Glas-Verbundeinheit sind.

4.3. Weitere Untersuchungen

Basierend auf den erzielten Ergebnissen könnte eine Reihe zukünftiger Untersuchungen in Betracht gezogen werden:

Diese Untersuchung kommt zu dem Schluss, dass eine Reduzierung der Strukturtiefe von Vorhangfassaden auf fast ein Fünftel im Vergleich zu herkömmlichen Vorhangfassadensystemen möglich ist. Die abschließende Stellungnahme basiert auf den folgenden Ergebnissen der mechanischen Tests und der Computerüberprüfung:

Konzeptualisierung, BC und MG; Methodik, MG und BC; Software, BC; Validierung, MG und BC; formale Analyse, MG und AG-S.; Untersuchung, MG und BC; Ressourcen, MG; Datenkuration, BC und AG-S.; Schreiben – ursprüngliche Entwurfsvorbereitung, BC; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, MG; Visualisierung, MG; Aufsicht, AG-S.; Projektverwaltung, MG; Finanzierungseinwerbung, MG Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und sind damit einverstanden.

Diese Forschung erhielt keine externe Finanzierung.

Unzutreffend.

Unzutreffend.

Die in dieser Studie präsentierten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.