Materialauswahl und Prüfung von Verbundplatten aus Glas und Fasern

Datum: 22. Dezember 2022

Authors: Alina Joachim, Jan Wünsch & Bernhard Weller

Quelle:Glasstrukturen und IngenieurwesenBand 6, https://doi.org/10.1007/s40940-020-00142-6

Der Trend in der modernen Architektur hin zu hochwertigen Gebäudehüllen hält an. Aufgrund seiner hohen Oberflächenqualität und des breiten Farbspektrums wird emailliertes Glas als Witterungsschutz und als Designelement eingesetzt. Die in diesem Artikel besprochenen neuartigen Elemente erfordern kein Dicht- oder Klebemittel, da die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) direkt auf die hintere Glasoberfläche aufgetragen wird. Das aufgetragene Polymer stellt einerseits eine Matrix zur Einbettung der Fasern dar und sorgt andererseits für eine adhäsive Verbindung zum Glas. Daher ist kein zusätzlicher Klebevorgang erforderlich. Die Kombination beider Materialien ermöglicht eine vollständige Verbundwirkung. Die neuartige Materialkombination nutzt die positiven Eigenschaften jedes Materials. Die hohe Haltbarkeit von Glas bietet Schutz vor Umwelteinflüssen und der FVK sorgt für ein verbessertes Tragverhalten. Dieser Beitrag stellt die Auswahl geeigneter Materialien für FVK vor und gibt einen Einblick in die experimentelle Erprobung der neuartigen Materialkombination. Dies zeigt, dass das Glas aufgrund der erheblichen Kopplungseffekte zur Lastübertragung im System beiträgt.

Der Trend in der modernen Architektur zu einer stetigen Optimierung der Gebäudehülle hält an. Neben ihrer Funktion als Gestaltungselement trägt eine Fassade auch zur Energiebilanz des Gebäudes bei. Die vorgehängte hinterlüftete Fassade vereint beides: Durch die Trennung von Dämmung und Wetterschutz sind vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz möglich. Die Fassadenverkleidung könnte aus Holz, Natur- oder Kunststein, Keramik- oder Metallplatten oder opakem Glas bestehen (Reichel und Schultz 2015). Bei der Verwendung von Glas fungiert die farbig emaillierte Glasscheibe als nicht tragende Deckplatte, die auf der tragenden Trägerplatte befestigt und mit einem mehrere Millimeter dicken elastischen Dichtstoff verklebt wird.

Während die Konstruktion den Vorteil hat, dass das Glas einen optimalen Schutz vor Regen und Feuchtigkeit bietet, ist der Verklebungsprozess zwischen der Glasscheibe und der tragenden Trägerplatte zeitaufwändig, da der elastische Dichtstoff mehrere Stunden zum Aushärten benötigt (Knaack und Koenders 2018). . Abbildung 1 zeigt einen typischen Aufbau einer hinterlüfteten Fassade mit auf Trägerplatten verklebten Glasscheiben. Die Trägerplatte wird mittels Ortsbefestigungen mit der Metallunterkonstruktion verbunden. Die Wärmedämmung wird in der Metallunterkonstruktion positioniert. Zwischen der Trägerplatte und der Wärmedämmung befindet sich ein Spalt, der eine vertikale Luftströmung ermöglicht und dem System seinen Namen gibt.

Die aufwändige Herstellung und die Tatsache, dass das Glas nur als nicht tragende Deckplatte fungiert, sind der Grund für die Idee der hybriden Fassadenelemente aus FVK und Glas. Durch die vorteilhafte Kombination beider Materialien werden die funktionellen und optischen Eigenschaften verbessert. Der FVK besteht aus Verstärkungsfasern und einer Polymermatrix. Die Polymermatrix umgibt die Fasern, die durch adhäsive Wechselwirkungen mit der Matrix verbunden sind. Darüber hinaus fungiert die Polymermatrix auch als Klebstoff für die Glasoberfläche. Die Witterungsbeständigkeit von Glas verbessert die Haltbarkeit des FVK deutlich. Die Fassadenelemente werden durch direktes Auflaminieren auf die Glasscheibe hergestellt. Dadurch entfällt der zeitaufwändige Prozessschritt des Verklebens von Glas und Trägerplatte. Somit stellt das Glas die dauerhafte Schalung für das FRP dar. Durch die Pigmentierung des Matrixmaterials kann ein breites Farbspektrum erreicht werden. Dadurch ist der Einsatz von farbigem Glas nicht mehr notwendig und das aufwendige Emaillieren kann entfallen. Ein visueller Mock-up auf der GLASSTEC 2018 in Düsseldorf zeigte vielseitige Farbgestaltungen (Abb. 2a).

Die neuartige Verbundplatte ermöglicht den Einsatz von Floatglas. Neben Kosteneinsparungen bietet Floatglas die Möglichkeit des Wasserstrahlschneidens nach der Herstellung des Glas-GFK-Verbundes. Dies vereinfacht die Produktion. Abbildung 2b zeigt ein Beispiel eines solchen Verbundelements. Der FVK ist grau eingefärbt und die Kanten werden hier, wie beschrieben, nachträglich mit Wasserstrahlschneiden bearbeitet. Der Einsatz von FVK im Fassadenbau wurde bereits in anderen Projekten untersucht, z. B. (Tomasi et al. 2014).

Der Einsatz von FVK anstelle einer herkömmlichen Trägerplatte für ein belüftetes System ist jedoch nicht bekannt. Dieser Artikel gibt einen Einblick in die durchgeführte Projektarbeit und zeigt das Potenzial der Materialkombination Glas und FVK auf. Die Auswahl der Komponenten des FRP ist in Abschn. 2.1 beschrieben. 2, während in Abschn. 3 wird die Kombination von Glas und FVK untersucht. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für die Diskussion der Tragwirkung des Hybridbauteils im Abschn. 3.2.

Untersuchungsprogramm

Im Fokus der Materialauswahl stand ein passendes Preis-Leistungs-Verhältnis von Glas und FVK. Daher wurden getempertes Floatglas und Glasfasern als geeignet für die beabsichtigte Anwendung ausgewählt. Anschließend wurde mittels Materialtests nach einer geeigneten Polymermatrix sowie einer geeigneten Faserverteilung gesucht.

Die umfassende Materialprüfung gliederte sich in drei Phasen: Das reine Matrixharz, das FVK und schließlich die Kombination aus FVK und Glas. Die Auswahlliste der Matrixmaterialien wurde in den ersten beiden Phasen, in denen das thermische und mechanische Verhalten jedes Kandidaten bewertet wurde, auf eine vielversprechende Kombination eingegrenzt.

In der ersten Phase (siehe Abschn. 2.2) wurden sechs Matrixmaterialien einer thermischen Analyse mittels Differentialscanningkalorimetrie (DSC) und dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften wurden aus einachsigen Zugversuchen abgeleitet. Die Auswahl wurde am Ende der Harztests auf drei Materialien reduziert. In der zweiten Phase (siehe Abschn. 2.3) wurden die verbleibenden drei Matrixmaterialien mit in unterschiedlichen Konfigurationen eingebetteten Fasern verstärkt. Es wurden uniaxiale Tests gemäß (EN ISO 527-1) durchgeführt, um die Leistung des FRP mit dem reinen Polymer ohne jegliche Verstärkung zu vergleichen.

Die FRP-Materialien wurden weiteren Tests unterzogen, um ihr Verhalten bei Kompression zu bewerten und ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten zu bestimmen. Zunächst wurden vier verschiedene Konfigurationen von Glasfasern getestet, es kamen jedoch zwei weitere Faserkonfigurationen hinzu. Am Ende der zweiten Phase wurden ein Harz und zwei Faserkonfigurationen als Favoriten ermittelt. In der dritten Phase (siehe Abschn. 3) wurde die Kombination aus Glas und dem bevorzugten FVK in einem Vierpunkt-Biegeversuch untersucht und die Resttragfähigkeit definiert.

Harz

Die Materialeigenschaften von FVK können durch die Wahl der Polymermatrix sowie durch Art, Menge und Orientierung der Fasern eingestellt werden. Mit steigendem Fasergehalt übernimmt die Matrix eine reine Schutz- und Einbettungsfunktion. Im Vergleich zum FVK weist die Kunststoffmatrix eine geringere Dichte sowie eine geringere Steifigkeit und Festigkeit auf (Bank 2006). FVK bestehen fast ausschließlich aus duroplastischen Polymeren. Sie haben eine niedrige Viskosität, wodurch die Faseroberfläche leicht benetzbar ist. Bei vollständig benetzten Fasern sind sie vor Umwelteinflüssen geschützt und ermöglichen eine gleichmäßige Lastübertragung (Pritchard 1999). Aufgrund der Kältebeständigkeit von Thermoplasten eignen sie sich weniger als Harz. Bei hoher Umgebungstemperatur steigt die Gefahr eines Faserversagens durch Scherung.

Darüber hinaus neigen Thermoplaste verstärkt zum Kriechen. Es gibt eine große Auswahl an duroplastischen Harzen. Als Harz werden bevorzugt Epoxidharze (EP), ungesättigte Polyester (UP) oder Vinylester (VE) eingesetzt. Alle drei bieten unterschiedliche Vorteile. Ungesättigte Polyester haben ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und sind vielseitig einsetzbar. Vinylester eignen sich für schwingende und schlagbeanspruchte Bauteile. Epoxidharze zeichnen sich durch hervorragende Haltbarkeit, gute Klebeeigenschaften und geringe Schrumpfung aus. Aufgrund ihres hohen Preises werden sie fast ausschließlich für hochbeanspruchte Bauteile eingesetzt.

Untersucht wurden drei verschiedene Epoxidharze, zwei ungesättigte Polyester und ein Vinylester. Die Handelsnamen der Matrixmaterialien werden in dieser Veröffentlichung aufgrund von Vertraulichkeitsvereinbarungen nicht genannt. Für einen allgemeinen Überblick sind in Tabelle 1 die grundlegenden Eigenschaften der Matrixmaterialien gemäß Herstellerangaben aufgeführt. Je nach Hersteller unterscheiden sich die Angaben in den technischen Datenblättern stark in der Qualität oder sogar bis hin zu fehlenden Informationen (gekennzeichnet durch [–]).

Tabelle 1 Materialeigenschaften laut Hersteller –Tisch in voller Größe

Die Aushärtungsbedingungen wurden mittels DSC-Analyse bewertet. Die Prüfungen wurden nach (DIN EN 11357) durchgeführt. Die Tests zeigten, dass eine vollständige Aushärtung erreicht wird, wenn die Matrixmaterialien 2 Stunden lang auf 80 °C erhitzt werden. Auf dieser Basis wurden alle künftigen Prüflinge gefertigt. Da die Ergebnisse der DSC-Analyse keinen Einfluss auf die Materialauswahl hatten, werden sie in diesem Artikel nicht näher erläutert.

DMA-Tests

Um ein Harz auswählen zu können, wurden umfangreiche experimentelle Tests durchgeführt. Das thermomechanische Verhalten kann mit DMA untersucht werden. Das Testgerät ist in Abb. 3a dargestellt. Der Prüfkörper wurde einer Wechselbelastung mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesetzt. Zusätzlich zur Definition der Glasübergangstemperatur kann durch den Frequenzverlauf die Zeitabhängigkeit des Materialverhaltens charakterisiert und die viskoelastischen Kennwerte in einem weiten Frequenzbereich ermittelt werden. Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der organische Kunststoffe vom glasartigen Zustand in den flexiblen gummiartigen Zustand übergehen. Zu diesem Zweck wurde ein kleines Stück ausgehärtetes Harz im Zugmodus getestet.

Für die Prüfung eines Frequenzbereichs sollten laut (EN ISO 6721-1) mindestens drei Prüflinge zur Verfügung stehen. Um eine allgemeine Orientierung über die Materialeigenschaften zu erreichen, wurde zunächst ein Prüfling einer 1-Hz-Messung unter Zugbelastung unterzogen. Hierzu wurde die Probe mit einer Geschwindigkeit von 2 K/min von − 60 auf + 120 °C erhitzt. Die Auswertung erfolgte im Bereich von − 25 °C und + 110 °C. Zusätzlich wurden drei Prüfkörper anschließend einer Multifrequenzmessung unter Zugbelastung unterzogen. Die Messungen dienten der Charakterisierung des Aushärtungsverhaltens und der Abschätzung der Verschiebung der Glasübergangstemperatur in Abhängigkeit von der Frequenz. Getestet wurden Frequenzen von 0,01 Hz, 0,1 Hz, 1 Hz, 10 Hz und 100 Hz bei einem Temperaturanstieg von − 33 auf +100 °C mit 1 K/min.

Zur Definition des Glasübergangstemperaturbereichs wurden seine Anfangs- (unteren) und Endtemperaturwerte (oberen) bestimmt. Die Temperatur am Anfang des Glasübergangstemperaturbereichs wurde durch Anlegen zweier Tangenten an die Kurve des Speichermoduls bestimmt. Eine Tangente liegt idealerweise an der linearen Kurve unterhalb des Glasübergangs und eine am Wendepunkt des Steilhangs. Der Schnittpunkt wurde als Anfangstemperatur des Glasübergangs Tg0 definiert. Die Endtemperatur Tge wurde durch das Kurvenmaximum des Verlustfaktors charakterisiert. Das in (ISO 6721-11) beschriebene Verfahren ist in Abb. 3b dargestellt. Der Speichermodul gibt auch den Elastizitätsmodul des Materials an. Wobei der Speichermodul aufgrund seiner oszillierenden Beanspruchung meist etwas höher ist als der Youngsche Modul aus den quasistatischen Versuchen.

Abbildung 4a zeigt den Vergleich der Mittelwerte der Glasübergangstemperaturen aus den Multifrequenzmessungen. Die Größe der Balken repräsentiert die Frequenzabhängigkeit des Matrixsystems. Die gemittelte anfängliche Glasübergangstemperatur aus der 1-Hz-Messung ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2 Materialeigenschaften aus den Tests –Tisch in voller Größe

Bei der Beurteilung der Glasübergangstemperatur für die Materialauswahl müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:

Wenn nur die aus DMA abgeleiteten thermomechanischen Eigenschaften berücksichtigt würden, zeigten EP₁ und VE₁ die besten Ergebnisse. Sie erreichten die höchsten Glasübergangstemperaturen von Tg₀ = 61 °C (EP1) und Tg₀ = 85 °C (VE₂). Das VE₁ war somit das einzige der sechs untersuchten Matrixmaterialien, dessen Glasübergangstemperatur über der maximalen Betriebstemperatur lag. Während sich der Glasübergangsbereich des VE₁ über ΔT = 18 K erstreckte, zeigte das EP₁ einen Glasübergangsbereich, der sich über ΔT = 33 K erstreckte. Beide Materialien, EP₁ und VE₁, zeigten ebenfalls eine geringe Frequenzabhängigkeit (Abb. 4a).

Einachsiger Zugversuch

Der Zugversuch nach (EN ISO 527-1) gilt als einer der grundlegenden Tests der mechanischen Materialprüfung von Polymeren. Als Prüfgerät für die quasistatische Prüfung kann die Universalprüfmaschine eingesetzt werden. Für die Untersuchung der Harze wurde der Probentyp 1A (EN ISO 527-2) verwendet (Abb. 4b). Der Prüfling wird auf Zug belastet, bis ein Bruch auftritt oder ein anderes Abbruchkriterium erreicht wird. Während des Tests werden die aufgebrachten Belastungen und Dehnungen gemessen. Die Dehnung wird optisch mittels Video-Extensometer gemessen. In Anlehnung an (EN ISO 527-1) wurden jeweils fünf Probekörper geprüft. Im Rahmen der Arbeit wurde zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls eine Dehngeschwindigkeit von 1 mm/min gewählt. Alle Tests wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Da Kunststoffe nur über einen kleinen elastischen Verformungsbereich verfügen, wird der Elastizitätsmodul mittels einer Sekante im Bereich von 0,05 % und 0,25 % der normativen Dehnung bestimmt. In diesem Bereich verformt sich das Material linear viskoelastisch (Grellmann und Seidler 2015). Nach dem Hookschen Gesetz wurde der Elastizitätsmodul aus dem Verhältnis der Spannungsänderung ∆σ zur Dehnungsänderung ∆ε berechnet. Die Spannung σ wird aus dem Quotienten der gemessenen Zugkraft und der Anfangsquerschnittsfläche gebildet. Darüber hinaus wurde aus dem Zugversuch die Versagensspannung σB mit der zugehörigen Bruchdehnung εB als wichtige Vergleichsgröße ermittelt. Mit dem Versagen der Probe ging ein Kraftabfall auf 10 % des Kraftwertes einher. Um einen direkten Vergleich mit den Herstellerangaben aus Tabelle 1 zu ermöglichen, wurde zusätzlich die Bruchdehnung ausgewertet (EN ISO 527-1). Die Ergebnisse finden sich in Tabelle 2, wobei die Darstellung der Tabelle 1 als Orientierung diente.

Beim Vergleich der E-Module untereinander erreichte der UP1 die höchsten Werte. Beim UP1 weicht der aus dem Zugversuch ermittelte Young-Modul jedoch erheblich von dem aus den DMA-Analyseergebnissen ermittelten Young-Modul ab. Auch die Modelle UP2, EP1, EP3 und VE1 erreichten einen hohen Elastizitätsmodul. Der EP1 zeigte die höchste Zugfestigkeit. EP2 erreichte die höchste Bruchdehnung (εB = 7,1 %) und war das einzige Material, das duktil versagte, während alle anderen Materialien spröde versagten. Der UP2 erreichte die geringste Bruchdehnung.

EP1 und VE1 zeigten die höchste Glasübergangstemperatur. Da beide Materialien auch bei Zugversuchen durchweg gute Ergebnisse erzielten, wurden sie für den weiteren Einsatz ausgewählt. Die ungesättigten Polyester hatten beide eine Glasübergangstemperatur, die für die vorgesehene Fassadenanwendung zu niedrig war. Zudem erreichten sie nur geringe Bruchdehnungs- und Zugspannungswerte. Auf Wunsch des Projektpartners wurde das UP2 jedoch auch in Kombination mit dem Fasermaterial untersucht, da dieses als einziges aller untersuchten Matrixmaterialien mit einem brandhemmenden Zusatz versehen war. Daher wurden EP1, UP2 und VE1 ausgewählt.

FRP

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Fasermaterialien, die sich in Material, Länge und Anordnung der Fasern selbst unterscheiden. Fasern sind die versteifende Komponente im FVK. Daher ist eine starke atomare Bindung zwischen Matrix und Fasern notwendig (Campbell 2010). Im Forschungsprojekt wurden ausschließlich Glasfasern in unterschiedlichen Gewebeformen untersucht. Für den Einsatz in flächigen Bauteilen eignen sich flächige, textile Halbzeuge wie Matten, Stoffe oder Tücher. Zunächst wurden vier verschiedene Konfigurationen von Glasfasergeweben getestet (siehe Abb. 5): (a) ein uniaxiales Band (US), (b1) ein Canvas-Gewebe mit einer zusätzlichen Fasermatte (d) auf einer Seite (CM), ( b2) ein reines Canvas-Gewebe (C) und (c) ein Köpergewebe (TT). Beim uniaxialen Band sind die Fasern unidirektional (Abb. 5a), sodass sich nur eine Hauptfaserrichtung ergibt.

Stoffe hingegen sind lange, miteinander verwobene Endlosfasern, die in mindestens zwei Richtungen ausgerichtet sind. Der Unterschied zwischen dem Twill-Gewebe und dem Canvas-Gewebe besteht in der Reihenfolge der Kett- und Schussfäden zueinander. Beim Canvas-Stoff wechseln sich diese ab (Abb. 5b). Dadurch ergibt sich eine hohe Kreuzungsdichte und eine hohe Rutschfestigkeit. Durch die starke Faserkrümmung werden diese allerdings auch geschwächt. Bei Köpergewebe hingegen verläuft der Schussfaden über zwei oder drei Kettfäden (Abb. 5c). Durch die geringere Kreuzungsdichte wird zwar die Schubverformung reduziert, dafür weisen die Fasern aber auch eine erhöhte Druck- und Ermüdungsfestigkeit auf. In Matten gibt es kurze Fasern, die unregelmäßig im Matrixmaterial verteilt sind (Abb. 5d). Sie tragen zu einem relativ isotropen, aber gleichzeitig weniger belastbaren Materialverhalten bei.

Alle vorgeschlagenen Faserkonfigurationen wurden in die ausgewählten Harze eingebettet. Es wurden uniaxiale Zugversuche durchgeführt, um die Auswirkungen der Zugabe von Fasern in den Matrixmaterialien und die Auswirkungen unterschiedlicher Faserkonfigurationen zu untersuchen. Biaxiale Gewebe haben in den beiden Hauptfaserrichtungen die gleichen Materialeigenschaften und werden daher nur parallel zu einer dieser Hauptrichtungen und diagonal zu den Hauptrichtungen geprüft. Das uniaxiale Glasfaserband hat nur eine Hauptfaserrichtung und wurde sowohl parallel als auch senkrecht und diagonal zur Faserrichtung getestet. In Abb. 4 c) ist der Probekörper Typ 3 nach (EN ISO 527-4) dargestellt. Der Testablauf ist ansonsten identisch mit dem in Abschn. 2.2. Die Ergebnisse des Elastizitätsmoduls und der maximalen Zugspannung sind in den folgenden Diagrammen dargestellt (Abb. 6, 7).

Die besten Ergebnisse ergeben sich erwartungsgemäß bei den Versuchen, bei denen die Belastung parallel zur Hauptfaserrichtung erfolgt. Der höchste Elastizitätsmodul wurde durch die Prüfung des uniaxialen Riemens (US) parallel zur Hauptfaserrichtung erreicht. Allerdings zeigte das uniaxiale Glasfaserband auch den deutlichsten Rückgang der Bruchlast, wenn es in einer anderen Richtung getestet wurde. Die Ergebnisse anderer Faserkonfigurationen – Canvas-Matte (CM), Canvas-Gewebe (C) und Köpergewebe (TT) – unterscheiden sich nur geringfügig voneinander. Mit Ausnahme von ungesättigtem Polyester zeigte das uniaxiale Glasfaserband bei Tests senkrecht zur Faserrichtung ungefähr die gleichen Ergebnisse.

Problematisch für die vorgesehene Anwendung ist die starke Anisotropie des uniaxialen Glasfaserbandes. Andererseits überzeugte das uniaxiale Band durch seinen deutlich höheren Elastizitätsmodul. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde die Produktpalette um ein Quadrax-Gewebe erweitert. Das Quadrax-Gelege hat einen Schichtaufbau, der aus vier unterschiedlich ausgerichteten Schichten besteht. Jede Lage ist um 45° zur vorherigen Lage versetzt, was bedeutet, dass eine Lage des Gewebes eine Faserorientierung in beiden Hauptrichtungen und zwei Diagonalen bietet (Abb. 8). Da es sich bei dem Quadrax-Gelege auch um eine der teuersten Faserformvarianten handelt, wurde zusätzlich eine reine Glasfasermatte getestet. Dieses konnte anstelle des Quadrax-Geleges in dem weniger beanspruchten Querschnittsteil eingesetzt werden.

Basierend auf diesen Ergebnissen wurde für den weiteren Projektverlauf das Epoxidharz EP1 ausgewählt. Es erzielte konstant hohe Werte und zeigte geringste Schwankungen in den Testergebnissen. Im Anschluss an die Materialauswahl wurden erneut einachsige Zugversuche durchgeführt. Da die Fasermatte ein nahezu isotropes Materialverhalten aufweist und das Quadrax-Gewebe eine in alle vier Richtungen ausgerichtete Faser aufweist, ist es nicht erforderlich, den Zugversuch in mehreren Richtungen durchzuführen. Die Ergebnisse des Zugversuchs für die beiden bevorzugten Materialkombinationen sind in Abb. 9 und Tabelle 3 dargestellt. Das unverstärkte Epoxidharz hat einen Elastizitätsmodul von 1937 N/mm2. Der FVK mit der Fasermatte erreicht einen Elastizitätsmodul von 8516 N/mm² und der FVK mit dem Quadrax-Gelege einen Elastizitätsmodul von 13632 N/mm². Die Steifigkeitswerte liegen zwar unter denen des Twill- und Canvas-Gewebes, sind jedoch nicht von der Belastungsrichtung abhängig.

Tabelle 3 Experimentell ermittelte Querdehnungskoeffizienten für die ausgewählten Materialien –Tisch in voller Größe

Zusätzlich wurden die Poisson-Verhältnisse beider FRP-Konfigurationen bestimmt. Hierzu wurden biaxiale Dehnungsmessstreifen eingesetzt, die im Zugversuch sowohl die Längs- als auch die Querdehnung messen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 4 fasst den Materialauswahlprozess zusammen.

Tabelle 4 Schematische Materialauswahl –Tisch in voller Größe

Es wurden zwei unterschiedliche Schichtaufbauten berücksichtigt. Eines davon besteht aus reinen Quadrax-Gelegen. Dadurch können ein sehr hoher Faseranteil und bestmögliche mechanische Eigenschaften erreicht werden. Die alternative Konstruktion hat einen Kern aus Fasermatte. Durch den Ersatz der kostenintensiven Quadrax-Schichten im weniger beanspruchten Kern können Kosten gesenkt werden. Grundsätzlich sollte FVK immer symmetrisch aufgebaut werden. Um die Scherspannung zwischen Glas und FVK möglichst gering zu halten, sollte die neutrale Achse an der Kontaktfläche zwischen beiden Materialien liegen. Unter der Annahme eines vollständigen Verbundverhaltens ist dies bei einem Dickenverhältnis zwischen Glas und FVK von etwa 1:2 der Fall (Joachim 2017).

Theoretisch haben die verschiedenen Faserverstärkungen unterschiedliche Vorteile. Das Quadrax-Gelege lieferte durchweg die besten Ergebnisse. Allerdings überzeugte das Preis-Leistungs-Verhältnis der Fasermatte. Für den Vierpunkt-Biegeversuch wurden 5 mm dicke Glasscheiben verwendet, was zu einer FVK-Dicke von 10 mm führte. Es wurden folgende zwei unterschiedliche Laminataufbauten entwickelt:

Der erste Laminataufbau garantiert die höchste Faserkonzentration und damit die besten mechanischen Eigenschaften aufgrund seiner hohen Faserorientierung und der Tatsache, dass die Fasern im Quadrax-Gelege in einer flachen Ebene liegen und nicht wellenförmig sind, wie es bei Fasern in der Fall ist eine gewebte Stoffkonfiguration. Das zweite Laminat wiederum kann dank der günstigen Fasermatten die Produktionskosten senken und auch im Kern des FVK zu nahezu homogenen Materialeigenschaften führen. Die Deckschichten fungieren im Bereich maximaler Beanspruchung als tragende Schichten.

Vierpunkt-Biegeversuch

In der Praxis werden die Fassadenplatten überwiegend auf Biegung beansprucht. Zur Beurteilung der Belastbarkeit der Verbundelemente wird ein üblicher Vier-Punkt-Biegeversuch für Glas eingesetzt. Die Biegeprüfung für FVK erfolgt in der Regel nach (EN ISO 14125). Um jedoch vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, werden alle Prüfungen gemäß (EN 1288-1) durchgeführt, die typischerweise zur Bestimmung der Biegefestigkeit von Glas verwendet wird. Sofern möglich, werden jedoch bis auf die deutlich größeren Prüfkörperabmessungen die Vorgaben der (EN ISO 14125) für den Biegeversuch an FVK beachtet. Beim Vierpunkt-Biegeversuch, schematisch dargestellt in Abb. 10, wurde ein Paneel von 1100 mm Länge und 360 mm Breite im Abstand von 1000 mm abgestützt. Die Kraft wurde in der Mitte aufgebracht und gleichmäßig auf zwei Punkte im Abstand von 200 mm aufgeteilt und kontinuierlich gesteigert (EN 1288-1).

Durch den „Poisson-Effekt“ entsteht ein zusätzliches Spannungsfeld senkrecht zur Spannrichtung. Dadurch kommt es zu einer Gegenbiegung in Querrichtung, wodurch die Längsspannungen nicht mehr gleichmäßig sind. Die Folge ist eine erhöhte Biegespannung entlang der Längskanten und eine verringerte Biegespannung in der Plattenmitte. Aufgrund dieses Effekts wurden alle Proben auf beiden Seiten mit Dehnungsmessstreifen in der Mitte der Platte ausgestattet – einer in der Mittelachse und einer nahe der Kante, wie in Abb. 11 dargestellt.

Beide Plattenaufbauten der Endauswahl wurden im Vierpunktbiegen getestet. Die Last wurde von beiden Seiten jeder Paneelkonfiguration aufgebracht. Bei den Biegetests wurde daher sowohl die Leistung der Platte bei gespannter Glasoberfläche als auch bei gespannter FRP-Seite beurteilt. Eine Anzahl von 3 Proben pro Panelkonfiguration wurde unter den gleichen Testbedingungen bewertet. Somit wurden 12 Prüfkörper getestet. Die in dieser Studie untersuchten Proben erfüllten hinsichtlich der Geometrie alle Anforderungen der (EN ISO 14125).

Die Proben werden schrittweise mit 200 N und einer Haltezeit von 1 Minute bis zu einer maximalen Belastung von 2000 N belastet. Die Versuche werden bei Raumtemperatur durchgeführt. Abbildung 12 zeigt den Versuchsaufbau und eine Probe mit der Glasseite nach unten.

Die Dehnung im Vierpunkt-Biegeversuch verläuft linear in Dickenrichtung zwischen der negativen Dehnung auf der Oberseite und der positiven Dehnung auf der Unterseite des Glases. Sowohl die Dehnung als auch die Dehnung hängen von der Materialsteifigkeit ab. Durch die sich ändernde Faserorientierung verändert sich schichtweise die Steifigkeit des FVK-Laminats. Und als Folge davon kommt es zu Diskontinuitäten im Spannungsprofil. Die Ergebnisse des Vierpunkt-Biegeversuchs wurden mit der analytischen Berechnung in Abschn. 3.2 und werden besprochen.

Keines der Exemplare versagte während der Tests. Dennoch wurde in weiteren Versuchen die Resttragfähigkeit der Verbundplatten beurteilt. Eine ausreichende Resttragfähigkeit und der Schutz von Personen vor herabfallenden Scherben sind wesentliche Aspekte beim Einsatz von Glas. Die Resttragfähigkeit wurde in horizontaler Lage nachgewiesen. Die Prüfkörper wurden mittels Sandsäcken mit einem Gewicht von 30 kg belastet (Abb. 13). Das Glas am Boden war an mehreren Stellen zerbrochen. Die Resttragfähigkeit war über eine Standzeit von 48 h gewährleistet. Die Prüfung wurde sowohl an Prüfkörpern mit Floatglas als auch zusätzlich an Prüfkörpern aus vorgespanntem Glas durchgeführt. Bei den durchgeführten Tests haftete das Glas, sowohl Floatglas als auch vorgespanntes Glas, sehr gut auf dem FVK.

Selbst bei herkömmlichem Verbundglas mit polymeren Zwischenschichten aus beispielsweise Polyvinylbutyral (PVB) oder Ethylenvinylacetat (EVA) erreichen die Elemente dadurch eine vergleichsweise hohe Resttragfähigkeit (Overend et al. 2014). Bei Standard-Verbundglas ist die Haftung des Bruchglases an der Zwischenschicht für die erhöhte Resttragfähigkeit verantwortlich. Bei der Verwendung von vorgespanntem Glas oder vorgespanntem Glas verzahnen sich die Glassplitter miteinander und sorgen so wieder für eine ausreichende Resttragfähigkeit. Verbundscheiben aus FVK und Glas haben außerdem den weiteren Vorteil, dass neben der Haftung des Glases am Harz auch die Belastbarkeit des FVK selbst zu einer höheren Resttragfähigkeit im Vergleich zu Standard-Verbundsicherheitsglas führt.

Vergleich mit einer analytischen Berechnung

Um die Verbundwirkung der neuartigen Fassadenplatte einordnen zu können, wurden die Ergebnisse des Vierpunkt-Biegeversuchs mittels einer analytischen Berechnung verglichen, wobei als schichtweise Grenze eine volle Verbundwirkung und keine Verbundwirkung angenommen wurden. Abbildung 14 zeigt die resultierenden Spannungsprofile in der Feldmitte der Verbundplatten aus FVK und Glas. Der blaue Bereich zeigt das Glas und der graue Bereich das FRP. In der hier gewählten Darstellung liegt das Glas also im Bereich der Biegezugbeanspruchung. Die Oberflächenspannung kann aus der im Vierpunkt-Biegeversuch gemessenen Dehnung und dem aus den Zugversuchen ermittelten Elastizitätsmodul berechnet werden. Ein Ansatz eines neuen analytischen Modells, der hier allerdings nicht anwendbar ist, wird in Pascual et al. vorgestellt. (2017).

In diesem Artikel betrachten die Autoren die Axial- und Scherspannungen, die durch die lokale Reaktion im Vergleich zur globalen Reaktion erzeugt werden. Allerdings weicht das verwendete Sandwichelement stark von dem für die Studie gewählten Plattenaufbau ab. Zumal das FVK mittels eines Klebers mit dem Glas verbunden wird und nicht wie im hier genannten Beispiel das Matrixmaterial gleichzeitig als Kleber dient. Dennoch wurde auch hier ein ähnlicher Ansatz zum Stressprofil untersucht. In ihrem Beitrag stellen Overend et al. (2014) stellen auch die Spannungsprofile eines Sandwichelements dar, das aus zwei Glasflächen und einem schubfesten Glaskern besteht, der von polymeren Zwischenschichten umgeben ist. Sie zeigen die Dehnungs- und Spannungsverläufe des Verbundelements unter Biegebeanspruchung bei intaktem und gebrochenem Kern.

Es wurden die in Tabelle 5 aufgeführten Young-Module verwendet. Die Kombination aus Fasermatte und Quadrax-Gelege errechnet sich aus den beiden experimentell ermittelten Elastizitätsmodulen entsprechend den Mengenverhältnissen.

Tabelle 5: Für die Spannungsberechnung verwendete Elastizitätsmodule –Tisch in voller Größe

Die nach der Balkentheorie berechnete Verformung mit Schichtgrenze wurde nach der Bernoulli-Hypothese ermittelt. Abbildung 14a) zeigt das resultierende Spannungsprofil. Die Abbildungen 14b und c zeigen die Spannungskurve für die vollständige Verbundeinwirkung. Hierzu wurde die Sandwich-Theorie verwendet, die eine vollständige Kopplung zwischen den Elementen annimmt. Die folgende Abbildung 15 zeigt den Aufbau des Sandwichelements nach Stamm und Witte (1974). Der obere Teil des Sandwichbauteils mit dem Index „O“ stellt den FVK-Bereich dar. Der untere Teil des Sandwiches, Index „U“, stellt das Glas dar. Für die Berechnung wird die Annahme G → ∞ und dQ → 0 getroffen. Die Spannungsdiskontinuität zwischen den beiden Materialien in Abb. 14 ist auf die unterschiedlichen Elastizitätsmodule zurückzuführen.

Beim Vierpunkt-Biegeversuch für reines Glas ergibt sich in Dickenrichtung eine lineare Kurve zwischen der negativen Dehnung auf der Oberseite und der positiven Dehnung auf der Unterseite des Glases. Da sowohl die Spannungen als auch die Dehnungen von der Materialsteifigkeit abhängen, kommt es in den FVK-Laminatschichten durch die wechselnde Faserorientierung zu Wechselsteifigkeiten in Belastungsrichtung und in der Folge zu Sprüngen im Spannungsverlauf in Dickenrichtung. Daher werden die Ergebnisse des Vierpunkt-Biegeversuchs nicht in der üblichen Form von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen, sondern als Kraft-Dehnungs-Diagramme dargestellt.

Abbildung 16 zeigt beispielhaft das Diagramm einer Platte aus Quadrax-Gelege und Glas, wobei das Glas auf der Seite einer Biegezugbeanspruchung ausgesetzt ist. Die gestrichelten Linien zeigen das analytisch berechnete Dehnungs-Kraft-Verhalten unter vollständiger Verbund- und Schichtgrenze. Die beiden Linien auf jeder Seite (GFK und Glas) stellen die zuvor beschriebene Probenvorbereitung durch zwei Dehnungsmessstreifen auf jeder Seite dar. Die Probenmitte erfährt eine gleiche oder größere Belastung als der Probenrand.

Bis auf geringfügige Abweichungen auf der FVK-Seite stimmen die Ergebnisse des Vierpunkt-Biegetests mit der analytischen Berechnung überein, die von einem Vollverbund ausgeht. Die Experimente zeigten, dass die Kombination aus FVK und Glas ein Hybridelement bildet (Weller und Pfalz 2018). Dieses Ergebnis steht im Einklang mit anderen Untersuchungen wie Achintha und Balan (2017, 2019). Bis zu einer Belastung von 2 kN besteht kein Unterschied im Dehnungs-Kraft-Verlauf zwischen den beiden gewählten FVK-Auflagen, weshalb hier auf die Darstellung einer Platte aus Quadrax und Fasermatte verzichtet wird.

Die experimentellen Tests an Kleinteilen zeigten die unterschiedlichen Materialeigenschaften, die sich aus der Wahl des Matrixmaterials sowie der Art und Menge der Fasermaterialien ergeben. Aus diesem Grund erfolgt die Materialauswahl mit großem Aufwand. Der eigentliche Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens lag jedoch darin, die Kombination von Glas und FVK hinsichtlich ihrer Verbundwirkung zu untersuchen. Die experimentellen Tests zeigten eine signifikante Kopplung zwischen Glas und FRP. Darüber hinaus zeigt der Vergleich mit der analytischen Lösung, dass die Glas-FRP-Wechselwirkung nahezu der vollständigen Verbundwirkung entspricht. Erstmals ist die Glasscheibe Teil der Lastabtragung und kann über ihre bisherige Funktion hinausgehen.

Dadurch kann der Aufbau deutlich schlanker als bisher ausfallen und Material eingespart werden. Ein weiterer ästhetischer Vorteil ist die Möglichkeit, den FVK einzufärben. Der FVK kann jede gewünschte Farbe annehmen. Dadurch und durch die hohe Resttragfähigkeit der Fassadenelemente kann Floatglas eingesetzt werden. Floatglas ist wesentlich einfacher zu bearbeiten, da es nach der Verbindung mit dem FVK durch Wasserstrahlschneiden geschnitten werden kann und eine saubere Kante ermöglicht.

Auch bei der Herstellung der Probekörper zeigte sich ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Trägerplatten mit Glas als Deckschicht: Da das Glas wie eine Art Schalung für den FVK fungiert, sind für die Herstellung keine Geräte erforderlich, mit denen ohne begonnen werden kann viel Vorbereitung. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Trägerplattensystem, bei dem das Glas als Wetterschutz und optisches Element mit der Trägerplatte verklebt ist, wie in Abschn. 1 fungiert das Harz nicht nur als Matrixmaterial, sondern auch als Klebeverbindung zum Glas. Dadurch entfällt die Verklebung als separater Produktionsschritt.

Neben den zahlreichen Vorteilen wie Gewichts- und Materialeinsparung, Kostenreduzierung und vereinfachter Produktion bietet die Materialkombination aus FVK und Glas noch weitere große Potenziale: Bisher waren vorgehängte hinterlüftete Fassaden aus Glas und einer herkömmlichen Trägerplatte ausschließlich in flacher Ausführung erhältlich Design. Der neu entwickelte Glas-FVK-Verbund bietet die Möglichkeit, gebogene Elemente zu konstruieren, da das FVK-Material geometrisch uneingeschränkt ist. Abbildung 17 zeigt ein Beispiel für ein solches gebogenes Element.

Angesichts des hohen Potenzials, das sich aus der Kombination von Glas und FVK ergibt, empfehlen die Autoren weitere Untersuchungen zur Verbundwirkung. Dazu gehören weitere, umfangreiche experimentelle Testreihen, die die generierten Ergebnisse untermauern und weitere Aspekte berücksichtigen, wie beispielsweise die Leistung des Panels bei Temperaturwechselbelastung. Bei der Kombination unterschiedlicher Materialien muss stets der Einfluss der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten untersucht werden. Durch thermische Zyklen kann es zu einer Zwangsbeanspruchung des Bauteils und im schlimmsten Fall zum Ausfall des Bauteils kommen. Im Rahmen des Projekts wurden in diesem Bereich bereits erste Tests durchgeführt, es bedarf jedoch einer eingehenderen Untersuchung. Auch andere Belastungsarten, die im Fassadenbau eine Rolle spielen, sollten untersucht werden. Dazu gehören je nach geplantem Einsatzgebiet beispielsweise Stoßbelastungen oder hochzyklische mechanische Ermüdung.

Das Forschungsprojekt „FKV-Glas-VH Fassade“ wird gefördert durch das Forschungsprogramm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (BMWi/AiF). Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung des Forschungsprojekts. Darüber hinaus danken wir der FIBER-TECH Products GmbH für die Zusammenarbeit und die Bereitstellung von Materialien sowie Prüfkörpern.

Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL. Funding was provided by Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Grant No. ZF4123705HF5).

Autoren und Zugehörigkeiten

Institute of Building Construction, Technische Universität, Dresden, Germany - Alina Joachim, Jan Wünsch & Bernhard Weller

Korrespondierender Autor

Korrespondenz mit Alina Joachim.