Einfluss von EVA-, PVB- und Ionoplast-Zwischenschichten auf das Strukturverhalten und Bruchmuster von Verbundglas

Datum: 28. August 2023

Autoren: Liene Sable, David Kinsella und Marcin Kozłowski

Quelle:Internationale Zeitschrift für Strukturglas und fortgeschrittene Materialforschung,Band 3 Nr. 1, 2019, Science Publications

DOI:https://doi.org/10.3844/sgamrsp.2019.62.78

Architekturtrends fordern Materialhersteller und Ingenieure zunehmend dazu auf, nachhaltige, erneuerbare und innovative Verbundglasprodukte zu entwickeln, die mehrere Funktionen vereinen, wie zum Beispiel Glasgeländer mit Solarzellen, gebogenes Verbundglas, Böden mit Leuchtdioden, die als Multimedia-Bildschirme dienen. Alle neuen Tendenzen erfordern die Entwicklung von Zwischenschichten für Verbundglas, die es ermöglichen, elektrische Teile, Solarzellen oder andere Gegenstände zwischen zwei Glaslagen zu laminieren. Für diesen komplexen Laminierungsprozess ist Ethylenvinylacetat (EVA) die am besten geeignete Zwischenschicht, da seine Eigenschaften das Arbeiten bei niedrigen Temperaturen ohne Autoklavierung ermöglichen. Andererseits wurde EVA-Material in der Norm prEN16613 nicht vollständig als geeignetes Zwischenschichtmaterial definiert und diskutiert, beispielsweise für Strukturanwendungen wie Polyvinylbutyral (PVB)-Zwischenschichten. Aus diesem Grund müssen EVA-Zwischenschichtlaminate untersucht und mit PVB oder ähnlichen Zwischenschichtlaminaten verglichen werden, um ihr mechanisches Verhalten zu bewerten.

Die Forschungsarbeit gibt einen Eindruck, vergleicht das Strukturverhalten und Bruchmuster und bewertet Verbundglasproben mit PVB-, Ionoplast- und EVA-Zwischenschichten. In der Praxis müssen Glaskonstruktionen so ausgelegt sein, dass sie den Biegebeanspruchungen standhalten, die z. B. durch seitliche Belastung auftreten können. Das bedeutet, dass Vierpunkt-Biegeversuche eine geeignete Methode zur Bewertung des Strukturverhaltens sind. Die Tests wurden auch in der Finite-Elemente-Software (FE) ABAQUS/CAE modelliert, um Verschiebungen zu berechnen und Biegespannungen zu bewerten. Den aktuellen Forschungsergebnissen zufolge kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass bei Proben mit EVA-Zwischenschicht die Steifigkeit den Ergebnissen von PVB-Zwischenschichtproben entspricht und dass die EVA-Zwischenschicht in den gleichen Fällen wie PVB-Material verwendet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der FE-Methode die genaue Simulation des mechanischen Verhaltens von Verbundglas, das beim 4-Punkt-Biegen getestet wurde, mit hoher Ergebniskorrelation mit einem Fehler von weniger als 5 %, während die analytischen Berechnungen einen Fehler von 10–58 % zeigen.

In den letzten Jahrzehnten wurde eine bedeutende Entwicklung von Strukturglas beobachtet. Glasmaterial wird nicht nur als Isolierglas-Füllelemente verwendet, sondern ist ein vollwertiges Konstruktionsmaterial. (Eekhout und Sluis, 2014; Grohmann, 2014; Raynaud, 2014) Im Vergleich zu monolithischen Glasscheiben behält Verbundglas nach dem Einsturz seine Integrität und die Struktur kann ihre Funktion erfüllen, bis sie ersetzt wird. Das Verbundglas ist ein Verbundmaterial, das aus mindestens zwei Glasschichten besteht, die durch eine Polymerzwischenschicht miteinander verbunden sind. Die Wahl des Zwischenschichttyps hängt meist von der Anwendung des Strukturelements ab, beispielsweise schlagfest, schalldämmend, einbruchsicher oder feuerbeständig (Sandén, 2015).

Aus struktureller Sicht ist Glas ein sprödes Material und versagt ohne Vorwarnung. Es reagiert empfindlich auf Spannungskonzentrationen und seine Festigkeit hängt vom Grad der Schädigung der Glasoberfläche ab (Pfaender, 1996). Die Zugfestigkeit wird durch das Vorhandensein von Materialfehlern bestimmt, die die Spannungen lokal verstärken und als potenzielle Fehlerstellen dienen. Die spannungserzeugende Eigenschaft eines Fehlers hängt von seiner Form und Größe ab, die jedoch mit der derzeit verfügbaren Messtechnik nicht genau bestimmt werden kann (Lamon, 2016).

Die Zwischenschichtintegration zwischen Glaslagen ist eine der Möglichkeiten, die Tragfähigkeit und strukturelle Integrität nach einem Glasbruch aufrechtzuerhalten. Der Vorteil der Polymerzwischenschicht besteht in ihrer Fähigkeit, große Verformungen zu absorbieren, Glassplitter zurückzuhalten und die Größe des Spalts zwischen Glassplittern nach einem Glasbruch zu begrenzen.

In dieser Arbeit werden das Strukturverhalten und Bruchmuster für Proben mit verschiedenen Arten von Zwischenschichten untersucht: Polyvinylbutyral (PVB), Ethylenvinylacetat (EVA) und Ionoplast. Dies sind alternative Polymere für Verbundglasanwendungen. Das älteste und am häufigsten verwendete Zwischenschichtmaterial in Bauwerken und der Automobilindustrie ist PVB, während EVA hauptsächlich für Photovoltaikmodule als Einkapselungsmaterial verwendet wird (El Amrani et al., 2007). Dies liegt an der relativ niedrigen Produktionstemperatur und der Möglichkeit, dekorative oder elektrische (z. B. Leuchtdioden) Elemente zu laminieren. Jede Art von Zwischenschicht hat einen spezifischen Anwendungszweck (Sandén, 2015) und diese Faktoren bestimmen, welche mechanischen Eigenschaften und Materialeigenschaften erforderlich sind.

Für die analytische Bestimmung der Biegespannungen und Durchbiegung von Verbundglas wurde eine Methode der „effektiven Dicke“ entwickelt. In der Praxis werden hauptsächlich drei Versionen verwendet: die Standards ASTM 1300, prEN 16612 und der Enhanced Effective Thickness Approach (EET) von Galuppi und Royer-Carfagni (2012).

Das Grundprinzip des ASTME1300-Ansatzes besteht darin, zwei verschiedene Werte der effektiven Laminatdicke zu bestimmen, von denen einer für die Berechnung der Durchbiegung und der andere für die Glasspannung verwendet wird. Diese Methode umfasst Formeln zur genauen Bestimmung des Scherübertragungskoeffizienten Γ zwischen den Schichten. Der Ansatz der effektiven Laminatdicke liefert die äquivalente monolithische Dicke für steife Zwischenschichten (Γ→1) und die Schichtgrenze für nachgiebige Zwischenschichten (Γ→0). (ASTM 1300, 2010) Die Methode gilt hauptsächlich für zweilagige Laminate, die aus Glaslagen gleicher und ungleicher Dicke bestehen.

Das Konzept der „Steifigkeitsfamilien“ wird im Entwurf der europäischen Norm für Glas vorgestellt (prEN 16612, 2017; prEN16613, 2017). Der Kerngedanke dieses Ansatzes ist die Einteilung in „Steifigkeitsfamilien“, außerdem bestimmt die Zwischenschichtfamilie den Schubübertragungskoeffizienten ω. Im Grunde ist dies derselbe Ansatz, der in ASTM 1300-16 als Wert von Γ enthalten ist. In diesem Fall definiert der Hersteller der Zwischenschicht den Elastizitätsmodul und die Poissonzahl, die von der Temperatur und der charakteristischen Dauer der Belastung abhängen. Die Vorschriften sehen drei Haupt-„Steifigkeitsfamilien“ für Zwischenschichten vor: „nicht beschriebene“ und „akustische“ (Familie 0), „Standard-PVB“ (Familie 1) und „strukturelle“ (Familie 2) Zwischenschichten. (prEN 16612, 2017) Diese Norm definiert jedoch nicht die Familie für EVA-Zwischenschichten, sie kann jedoch gemäß (prEN16613, 2017) und den Eigenschaften des Zwischenschichtmaterials bewertet werden.

Die dritte Methode ist der Enhanced Effective Thickness-Ansatz (EET), der sich zur Bewertung der effektiven Dicke sowohl für „Balken“- als auch „Platten“-Geometrien eignet. Durch die Auswahl geeigneter Formfunktionen für die Verformung des laminierten Trägers liefert die Minimierung der Dehnungsenergiefunktion neue Ausdrücke für die effektive Dicke unter allen Zwangs- und Lastbedingungen, wobei die klassischen Formulierungen als Sonderfälle berücksichtigt werden (Galuppi und Royer-Carfagni, 2013).

Für die Beurteilung von Glas hinsichtlich Festigkeit und Versagensverhalten bietet der Vierpunkt-Biegeaufbau ein genaues Prüfmittel. Darüber hinaus ermöglicht es die Ermittlung des kritischen Biege- und Zugspannungs- und Bruchmusters insbesondere für Verbundglasproben. In diesem Fall geben fraktografische Beobachtungen der gebrochenen Proben Aufschluss darüber, ob der Fehler an der Oberfläche oder am Rand der Glasschicht aufgetreten ist.

Ziel der aktuellen Arbeit ist die Bewertung von Verbundglasproben mit EVA-, PVB- und Ionoplast-Zwischenschichten im Hinblick auf das mechanische Verhalten bei Vierpunktbiegung und die Validierung des Finite-Elemente-Modells anhand von Testdaten.

Verbundglas kann als Sandwichstruktur betrachtet werden, die aus linear-elastischen Glaslagen und einer viskoelastischen thermoplastischen Schicht besteht, die für die Scherübertragung zwischen den Glaslagen sorgt. Zur Bestimmung der Biegespannung in Verbundglas garantieren etablierte Analysetechniken nicht die tatsächlichen Spannungsergebnisse oder liefern in einigen Fällen Ergebnisse mit großer Streuung. Für höchste Designsicherheit wurde die Elementmethode (FEM) angewendet. Der Hauptvorteil der Verwendung von FEA besteht in der Möglichkeit, die Biegespannung in jeder Schicht eines mehrschichtigen Laminats zu ermitteln. Ziel der FE-Berechnung war es, die numerischen Ergebnisse anhand der experimentellen Testdaten zu verifizieren und die Biegespannungen in vier- und sechslagigen Laminaten mit EVA- und PVB-Zwischenschichten zu berechnen.

ABAQUS 3D-Modell

Der Vierpunkt-Biegeaufbau von Verbundglasproben wurde in der kommerziellen ABAQUS/CAE-Software modelliert. Aufgrund der in der experimentellen Kampagne durchgeführten Tests wurden zwei FE-Modelle erstellt.

Zunächst wurde ein Modell für zweilagige (Abb. 1) Laminate erstellt, bei dem die Träger und Belastungsrollen als 3D-analytische starre Teile mit Abmessungen entsprechend dem Testaufbau definiert wurden. Für Verbundglas wurden 8-Knoten-Kontinuumsschalenelemente SC8R verwendet. Die Elemente sehen aus wie dreidimensionale Kontinuumskörperelemente. sein kinematisches und konstitutives Verhalten ähnelt jedoch dem des herkömmlichen Schalenelements (Hibbit et al., 2001). Darüber hinaus haben die Kontinuumsschalenelemente nur Verschiebungsfreiheitsgrade. Die Glas- und Zwischenschichtteile wurden zusammengebaut und Verbindungsbeschränkungen zwischen ihnen erstellt. Die Verbindungsbeschränkungen sind oberflächenbasiert und wurden verwendet, um zwei Oberflächen während der gesamten Dauer einer Simulation miteinander zu verbinden. Jeder Knoten auf der Slave-Oberfläche muss die gleiche Bewegung aufweisen wie der Punkt auf der Master-Oberfläche, dem er am nächsten liegt (Hibbit et al., 2001).

Ein zweites Modell wurde für vier- und sechsschichtige (Abb. 2) Laminate erstellt. Im Vergleich zum ersten Modell wurden zusätzliche Lasteinleitungsdetails angewendet. In diesem Modell wurden die Stützen und die Last als analytische starre 3D-Teile erstellt. Aufgrund der Bewegung während des Tests wurde ein 3D-Festkörperelement für die Laderollen und Metallladedetails und ein Kontinuumsschalen-SC8R-Element für die Verbundglasprobe verwendet. Die Teile wurden zusammengebaut und ein Interaktionskontakt von Oberfläche zu Oberfläche angewendet. Wie im ersten Modell wurde eine Bindungsbeschränkung verwendet, um die Bindung zwischen den Glas- und Polymerzwischenschichten zu modellieren. Zwischen Metall- und Glasoberflächen wurden tangentiale Verhaltenskontakte mit einem Reibungskoeffizienten von 0,5 angewendet.

Da der tatsächliche Wert der Biegespannung nicht bekannt ist, wurde eine Netzkonvergenzstudie durchgeführt und in Abb. 3 dargestellt.

Es wurden zwei verschiedene Studien zur Maschendichte durchgeführt. Das Grundprinzip von Netzstudien besteht darin, die optimale Elementgröße zu finden, die genaue Ergebnisse liefert. Darüber hinaus gilt: Je mehr DOFs im Modell vorhanden sind, desto besser kann es das Strukturverhalten erfassen. Wie in Abb. 3 dargestellt, beeinflusst die Netzdichte die Spannungsergebnisse stärker als die Verschiebungsergebnisse. Da zusätzliche DOFs die Rechenzeit erhöhen, wurde auch eine Zeitkonvergenzstudie durchgeführt. Gemäß der Konvergenzstudie wurden Elemente mit einer Größe von 15 mm ausgewählt und auf die endgültigen Modelle angewendet (Abb. 1 und 2).

Einfluss von Materialien und Zwischenschichten auf die FE-Analyse

Alle Materialien (Glas und Zwischenschichten) wurden mithilfe elastischer Materialmodellparameter modelliert. Um die Biegespannungswerte zu bewerten, wurden die mechanischen Eigenschaften der Materialien aus der Literatur zusammengestellt; andernfalls müssen Testnachweise die jeweiligen Materialeigenschaften belegen. Die Materialeigenschaften für Natronkalkglas sind wie folgt definiert: Elastizitätsmodul, Eglass = 70 GPa und Poissonzahl, υglass = 0,23 (EN 572-1, 2017)

Die Ergebnisse von FEA-Simulationen müssen mit den experimentellen Daten korrelieren. Einer der Gründe für den Widerspruch in den Ergebnissen kann jedoch das variable Verhalten zwischen den Schichten sein, das von der Temperatur und der Belastungsdauer abhängt. Drei mechanische Eigenschaften, die die lineare elastische Zone zwischen den Schichten charakterisieren, sind der Elastizitätsmodul, der Schermodul und die Poissonzahl. Darüber hinaus erhöht sich nach dem Hookeschen Gesetz durch die Erhöhung des Elastizitätsmoduls auch der Schermodul, was bedeutet, dass die Scherübertragung zwischen Glasplatte und Zwischenschicht zunimmt. Es muss berücksichtigt werden, dass das Verhalten zwischen den Schichten temperaturabhängig ist und die mechanischen Eigenschaften entsprechend der Labortemperatur definiert werden müssen.

In der Literatur konzentrierten sich Studien zu PVB-Material hauptsächlich auf die Untersuchung der elastischen Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen und die Berechnung echter Spannungs-Dehnungs-Kurven (Santarsiero et al., 2016). Außerdem bieten Hersteller von PVB-Zwischenschichten Datentabellen mit mechanischen Eigenschaften der Zwischenschicht an, die von der Temperatur und der Belastungsdauer abhängen (Eastman Chemical Company, o. D.; Kuraray GmbH., o. D.). Die folgenden Eigenschaften laut öffentlichen Datenblättern des Herstellers sind empfohlene Werte für die FE-Analyse, in der Praxis liegen sie jedoch niedriger und müssen durch Testnachweise bestätigt werden. In allen Simulationen, die für diese Forschung durchgeführt wurden, war die Poissonzahl für PVB-Material ein fester Wert von 0,498, aber der Elastizitätsmodul wurde für jeden Zwischenschichttyp angepasst und liegt zwischen 2 und 90 MPa.

Es wurde über eine begrenzte Anzahl von Studien zum mechanischen Verhalten von EVA-Zwischenschichtmaterialien bei unterschiedlichen Temperaturen und Dehnungsraten berichtet. Experimentelle Untersuchungen mehrerer Autoren (Serafinavičius et al., 2013; Weller et al., 2005) ergaben, dass auch die EVA-Zwischenschicht zeit- und temperaturabhängig ist. Einschränkungen der Studien (Castori und Speranzini, 2017; Serafinavičius et al., 2013) sind die Art der EVA-Zwischenschicht, die Autoren konzentrieren sich hauptsächlich auf die Bewertung der Standardart von EVA-Material. Allerdings ist die Auswahl an EVA-Produkten groß und jeder Typ weist erhebliche Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften auf. Derzeit bieten die Hersteller keine öffentlichen Datenblätter zu den physikalischen Eigenschaften von EVA-Material an. Aus diesem Grund wurden Eigenschaften aus der Literatur mit EEVA = 10–20 MPa und υEVA = 0,32 übernommen (Castori und Speranzini, 2017; Czanderna und Pern, 1996; Pankhardt, 2008).

In diesem Artikel wurde eine Methode zur Bestimmung der effektiven Dicke von Verbundglas zur Analyse von Spannungen und Durchbiegung angewendet (prEN 16612, 2017). Gemäß den folgenden Formeln (Gleichung 1, 2) wurden die effektiven Dicken berechnet und in die Standardformeln für den Vierpunkt-Biegetest mit maximaler Spannung und Durchbiegung eingesetzt:

Wo:

ω = Koeffizient zwischen 0 und 1, der keine Scherübertragung (0) und vollständige Scherübertragung (1) darstellt.hk, hj = Die Dicken der Glaslagenhm,k, hm,j = Die Abstände der Mittelebene der Glaslagen k , j jeweils aus der Mittelebene des Verbundglaseshef,σ,j = Die effektive Dicke zur Berechnung der Spannung der Glaslagennummer jhef,w = Die effektive Dicke zur Berechnung der Biegedurchbiegung

Gemäß prEN 16612 (2017) wird der Scherkoeffizient ω für die Zwischenschicht definiert. Wie bereits erwähnt, wurde die EVA-Zwischenschicht in der Norm nicht behandelt. Aus diesem Grund kann sie durch „Familie 1“ definiert werden, wobei ω Werte von 0 bis 0,3 annimmt. Die Berechnung erfolgte mit dem Wert 0,3 nach Vorschlägen von Hána et al. (2018). Es wird davon ausgegangen, dass die Zwischenschichten SaflexDG41 und SentryGlas® Ionoplast zur „Familie 2“ gehören und ω - 0,7 haben, die Zwischenschicht PVB Sound 0,76 ist „Familie 0“ und ω - 0. Alle anderen PVB-Zwischenschichten werden als Teil der „Familie 1“ (Standard-PVB) angenommen ) und ω - 0,3.

Verbundglasproben wurden in 4-Punkt-Biegung getestet, wobei die Bruchspannung mit Gleichung 3 berechnet wurde:

wobei a – Abstand zwischen Belastung und Stützpunkt, F-maximale Kraft, b-Probenbreite, hef,σ,j – die effektive Laminatdicke für Berechnungen der Biegespannung.

Die maximale Durchbiegung berechnet sich nach Gleichung 4:

wobei E-Elastizitätsmodul des Glases (70 GPa), I-Trägheitsmoment (berechnet nach Gleichung 5), l1 – Abstand zwischen den Stützen:

Versuchsaufbau

Verbundglasproben wurden im Labor der Fakultät für Ingenieurwissenschaften LTH der Universität Lund in Schweden durch 4-Punkt-Biegung getestet. Bei den Versuchen wurde eine einachsige Zugmaschine mit einer Kapazität von 100 kN verwendet. Der Abstand zwischen den Stützen und Belastungspunkten wurde für alle Proben als konstant angenommen (Abb. 4). Die Proben wurden mit einer konstanten Verschiebungsgeschwindigkeit von 6 mm/min bis zum Versagen aller Glaslagen belastet. Diese Verschiebungsrate wurde gewählt, um eine konstante Spannungsrate innerhalb der Lastspanne von etwa 2 MPa/s zu erreichen. Bei der Durchsicht der Literatur für andere Experimente mit Glas unter Verwendung des Vierpunkt-Biegeaufbaus wurde festgestellt, dass am häufigsten eine Spannungsrate von etwa 2 MPa/s gewählt wurde (Kinsella, 2018), darüber hinaus eine Spannungsrate von 2 +/- Im genormten Aufbau gemäß EN 1288-3:2000 werden 0,4 MPa/s empfohlen. Während der Tests wurden Belastung und Querkopfverschiebung aufgezeichnet.

Da die Proben unter Verwendung thermoplastischer Zwischenschichten hergestellt wurden, wurde besonderes Augenmerk auf die Kontrolle des Klimas im Prüfraum gelegt. Die Tests wurden bei 25 ± 1 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 44 ± 1 % durchgeführt. Während der Tests wurden Messwerte gesammelt und als Durchschnittswert berechnet.

Zur genauen Messung der Längsdehnung in Glas im Hochspannungsbereich wurden Dehnungsmessstreifen LY 11-10/120 (Abb. 5) auf der Zug- und Druckseite in der Mitte der Probe auf das Glas geklebt.

Testproben

Die Abmessungen der Verbundglasproben betrugen 500 mm × 100 mm, die Werte einer durchschnittlichen Probendicke und die Anzahl der Tests sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Alle Verbundglasproben wurden aus geglühtem Natronkalkglas hergestellt und industriell auf Schneidemaschinen geschnitten und mit polierten Kanten versehen. Verbundglasproben wurden nach dem Zwischenschicht-Produktionsverfahren hergestellt.

Tabelle 1: Übersicht der Testproben

In diesem Abschnitt werden die experimentellen und numerischen Ergebnisse zusammengefasst. In den nächsten Abschnitten werden die Testergebnisse der Proben, die FEA und die Analyseergebnisse separat besprochen, einschließlich der mit Dehnungsmessstreifen erhaltenen Messungen. Zum besseren Verständnis beziehen sich Proben mit den Zusatzzeichen 4G und 6G auf die Anzahl der Glasscheiben in der Probe.

Phasenbeobachtung nach dem Bruch

Bei den Versuchen wurden zwei Arten von Versagen der Verbundglasproben beobachtet (Abb. 6).

Beim ersten Typ kollabieren beide Gläser gleichzeitig unter der Belastung als Monolithglas und die Kurve ist linear mit einer maximalen Belastungsspitze (Abb. 6 Kurve A). Beim zweiten Typ kollabiert zunächst die Zugseite des Glases, aber die Druckseite der Scheibe ist immer noch in der Lage, die Last zu tragen, und in der Grafik sind zwei oder mehr maximale Lastspitzen zu sehen (Abb. 6, Kurve B). In diesem Fall kann ein sogenannter „Post-Bruch“-Zustand beobachtet werden, der auch bei Delincé et al. beschrieben wird. (2008). Der Zustand nach dem Bruch von Verbundglas ist definiert als der Zustand, in dem eine oder mehrere Glasscheiben Risse aufweisen und die zerbrochenen Glasstücke noch mit der Zwischenschicht verbunden sind. Delincé et al. (2008) Post-Bruch-Phänomene müssen insbesondere für tragende Strukturen analysiert werden, da das Laminat in der Lage ist, seine Integrität aufrechtzuerhalten und die Lasten nach dem Zusammenbruch zu tragen. Es gibt mehrere Faktoren, die das Verhalten des Laminats nach dem Bruch beeinflussen, zum Beispiel die Größe der Glasfragmente nach dem Bruch, die Eigenschaften der Zwischenschicht, die Dauer der Belastung, die Haftung zwischen der Zwischenschicht und der Glasoberfläche usw.

In dieser Forschungsarbeit werden die Ergebnisse der „Nachbruch“-Phase des Verbundglases nicht diskutiert. Tabelle 4 zeigt jedoch, dass diese Phase bei 55 % aller Proben beobachtet wird. Für weitere analytische Berechnungen werden die maximalen Kraftwerte (Fmax) und die entsprechenden Verschiebungswerte (Dmax) verwendet (Abb. 6).

Dehnungsmessstreifenmessungen

Auf die obere und untere Glasoberfläche der Probe wurden Dehnungsmessstreifen geklebt, um die maximale Längsdehnung im Glas beim Versagen zu bestimmen. Im Allgemeinen wurde der Elastizitätsmodul von Glas mit Eglass = 70 GPa angenommen (EN 572-1, 2017; Pfänder, 1996), was es gemäß dem Hookeschen Gesetz ermöglicht, die maximale Biegespannung in Glaslagen zu berechnen. Die maximalen Normalspannungsergebnisse aus DMS-Messungen, FE-Analyse und analytisch berechneten Ergebnissen sind in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 2: Vergleich von DMS-Messungen und FEA-Ergebnissen

Tabelle 3: Durchschnittswerte der Bruchkraft, Verschiebung, Bruchspannung, FEA-Ergebnisse, Analyseergebnisse und Standardabweichungen für alle Serienproben

Dehnungsmessungen werden instrumentiert, um Daten zum Vergleich mit Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse (FEA) bereitzustellen und das FE-Modell zu validieren. Der prozentuale Unterschied zwischen DMS-Messungen an der Bodenplatte und FE-Analysen beträgt 0-4 %. Eine Ausnahme bilden die Proben mit der Zwischenschicht Trosifol BG15 und Saflex RB47, bei denen die Dehnung in der unteren Glaslage um 9 % bzw. 25 % höher ist als in der oberen Lage. Allerdings liefert der analytische Ansatz Ergebnisse mit einer größeren Streuung, bei Zweischichtlaminaten zwischen 5-54 % und bei Sechsglaslaminaten zwischen 66 % und 81 %. Diese Ungleichheit wird dadurch erklärt, dass der implementierte Schubübertragungskoeffizient ω zu allgemein und konservativ ist, andererseits dient er auch als Sicherheitsfaktor in technischen Berechnungen.

Aus den Testergebnissen lässt sich schließen, dass je steifer die Zwischenschicht ist, desto mehr verhält sich die Platte wie eine monolithische Struktur und der Unterschied zwischen den oberen und unteren Dehnungsmessungen ist geringer.

PVB-Zwischenschichtproben

Tabelle 3 enthält eine Reihe von Statistiken, einschließlich der durchschnittlichen Bruchkraft für alle getesteten Proben mit PVB- und Ionoplast-Zwischenschicht. Abbildung 7 vergleicht die experimentell gemessenen Kraft-Weg-Kurven für zwei Glaslaminate mit einer Glasdicke von 6 mm, einer PVB-Zwischenschichtdicke von 0,76 mm und einer Ionoplast-Dicke von 0,89 mm.

Bei den Ergebnissen in Abbildung 7 ist eine enge Übereinstimmung zwischen Proben mit PVB Saflex DG41 und der SentryGlas® Ionoplast-Zwischenschicht zu erkennen. Die höchste durchschnittliche Bruchkraft (Tabelle 3) wurde für SentryGlas Ionoplast – 1929,6 N (SD 568,2) und Saflex DG41 – 1851,6 N (SD 61,3) aufgezeichnet, wobei die entsprechende durchschnittliche Verschiebung 3,0 mm (SD 0,85) und 3,2 mm (SD 0,05) betrug. . Im Vergleich zu Proben mit Saflex DG41 und SentryGlas® sind die durchschnittlichen Verschiebungen bei den Zwischenschichten Trosifol BG15, Saflex RB47&Vanceva 9, Saflex RB71 und Saflex QS41 um 50 % geringer. Die Diskrepanz zwischen den Ergebnissen kann durch die Eigenschaften der Zwischenschichten erklärt werden. Beispielsweise ist die Zwischenschicht aus PVB Saflex DG41 (ECC, 2015) und SentryGlas® Ionoplast (Kuraray GmbH, nd) bei gleicher Temperatur und Belastungsdauer 100-mal steifer als herkömmliche Laminiermaterialien.

Die geringste Bruchlast wurde für Proben mit Saflex QS41-Zwischenschicht festgestellt – 997 N mit SD 214,4. Proben mit BG15, RB47Vanceva9 und RB71 haben gleiche Ergebnisse (Tabelle 3).

Abbildung 8 und Tabelle 3 stellen experimentelle Ergebnisse von zwei Glaslaminaten dar, bei denen 5-mm-Glas verwendet wurde. Proben mit PVB-Clear- und PVB-DG41-Zwischenschicht hielten einer höheren durchschnittlichen Kraft stand, nämlich 978,4 N (SD 23,9) bzw. 938,6 N. Es muss erwähnt werden, dass in diesem Fall nur zwei Beobachtungen pro Datenprobe verfügbar sind, was die statistische Signifikanz einschränkt. Für das mechanische Verhalten unter Biegebelastung wird jedoch eine grobe Schätzung vermittelt.

Abbildung 9 zeigt die Ergebnisse von 6-lagigen Glaslaminaten mit einer klaren PVB-Zwischenschicht. Die durchschnittliche Versagenskraft wurde mit 4079,7 N (SD 786,5) ermittelt und die entsprechende Verschiebung betrug 6,7 mm (SD 0,9). Die Abbildung zeigt auch, dass die Steigung der erzwungenen Verschiebungskurve nicht linear ist, was bedeutet, dass viskoelastische Eigenschaften der Zwischenschicht die Ergebnisse beeinflussen.

EVA-Zwischenschichtproben

Abbildung 10 zeigt Testergebnisse für zwei Glaslaminatproben mit EVA-Zwischenschicht. Die Dicke der Zwischenschicht beträgt 0,38 mm, mit Ausnahme von Proben mit EVA Visual 0,76 mm-Folie, bei denen die Nenndicke 0,76 mm beträgt.

Abbildung 10 und Tabelle 3 zeigen, dass es einen signifikanten Unterschied zwischen den Testergebnissen gibt und dass die Art der Zwischenschicht die Kraft- und Verschiebungsergebnisse beeinflusst. Dies kann durch die geringe Anzahl an Proben erklärt werden, die keine vollständige statistische Analyse ermöglichen. Eine Diskrepanz zwischen den Ergebnissen bestätigt jedoch auch die Hypothese, dass jeder EVA-Zwischenschichttyp einzigartige Eigenschaften aufweist und für weitere Untersuchungen bewertet werden muss.

Die geringste Versagenskraft wird für Proben mit EVA – 80/120-Zwischenschicht – 767 N und 609 N beobachtet. Ein signifikanter Unterschied zeigt sich bei zwei Serienproben: EVA – Kristall und EVA – Grün, wo die Ergebnisse 746 N, 1098 N und 1375 N, 854 sind N bzw.

Ein komplexeres Verhalten unter Biegebelastung verdeutlichen die Versuchsergebnisse (Abb. 11) von 4er- und 6er-Glaslaminaten. Die Kurven mit gestrichelten Linien stellen 4 Glasplatten mit EVA – blauer Zwischenschicht dar, aber durchgezogene Linien stellen 6 Glaslaminat mit EVA-Visual- und EVA-Crystal-Zwischenschicht dar.

Aus den in Abb. 11 und Tabelle 3 dargestellten Ergebnissen lässt sich schließen, dass die Kurven im Vergleich zu den Proben mit zwei Glaslagen (Abb. 10) keine perfekte Linearität aufweisen. Diese Krümmung kann durch die Wirkung der Zwischenschicht und deren mechanisches Verhalten während des Belastungsprozesses erklärt werden. Die maximale Kraft ist mindestens dreimal höher, die Verschiebung bleibt jedoch gleich.

Eine der Hauptfragen der Glastechnik lautet: „Was ist die beste Zwischenschicht für eine bestimmte Anwendung?“ Um die Fähigkeit von Verbundglas mit unterschiedlichem Widerstand der Zwischenschicht gegenüber Verformung in der elastischen Zone zu beschreiben und zu bewerten, wurden die Testergebnisse aller Proben in einem Diagramm dargestellt. In Abb. 12 ist für alle Proben die Versagenskraft gegen die gemessene entsprechende Verschiebung aufgetragen.

Einige Einschränkungen dieser Forschung müssen berücksichtigt werden. Zunächst wurden die Tests unter Laborbedingungen durchgeführt. Wie bereits erwähnt, beeinflusst das mechanische Verhalten zwischen den Schichten aus diesem Grund die Temperatur bei Strukturen, die den Außenbedingungen ausgesetzt sind; Statische Berechnungen müssen mit Eigenschaften für diese Bedingungen durchgeführt werden. Zweitens ist es schwierig, solche Ergebnisse auf der Grundlage vollständiger Informationen über die Eigenschaften der EVA-Zwischenschichten zu erklären. Weitere Untersuchungen erfordern einen vollständigen Testzyklus zur Bestimmung des genauen ω-Werts für alle EVA-Typen.

Die Ergebnisse in Abb. 12 verdeutlichen jedoch, dass Proben mit EVA-Zwischenschicht konkurrenzfähig sind und zwei Mal kleinere Verschiebungsergebnisse liefern als Proben mit Standard-PVB-Zwischenschichten, mit Ausnahme der „steifen Zwischenschichten“ (Saflex DG41 und SentryGlas®). Darüber hinaus zeigen die Daten eine Streuung zwischen den Ergebnissen einer Zwischenschicht. Auch wenn der Unterschied gering ist, kann er erhebliche Auswirkungen auf die Strukturberechnungen haben.

Die Festigkeit von Glasmaterial ist stochastischer Natur und hängt vom Vorhandensein von Mikrorissen auf der Oberfläche ab. Die Festigkeit wird durch spannungserhöhende Mängel bestimmt, die die praktische Festigkeit für getempertes Glas auf etwa 20–140 MPa begrenzen (Regan, 2014). Glasbruch, Rissverzweigung, Bruchausbreitung und Bruchursache sind Phänomene, die nicht eindeutig erklärt oder vorhersehbar sind. Einer der Vorteile von Verbundglas ist die Möglichkeit, das Bruchmuster des Materials nach einem Bruch zu beurteilen. Mehrere Autoren versuchten, den Glasbruchprozess vorherzusagen und zu analysieren. Veer und Rodichev (2012) wird das Bruchmuster in wasserstrahlgeschnittenem Glas analysiert. Die Frakturmuster sind in vier Kategorien unterteilt; Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass laut Untersuchungen für Glas mit polierten Kanten im Allgemeinen nur zwei Arten von Bruchmustern beobachtet werden, nämlich Mittelbrüche und V-Brüche.

Tabelle 4 zeigt Bilder mit dem Versagensmuster des Glasmaterials und der ermittelten Bruchstelle sowie dem Verhältnis der beschädigten Fläche zur gesamten Probenplattenfläche. Zum besseren Verständnis der Tabelle 4 wurden Abkürzungen eingeführt. Die Überschrift „Bruchstelle“ beschreibt drei Arten von Stellen, an denen Risse beobachtet wurden – in der Mitte der Probe (M) und an einem Teil der Spannweite (1/3L, 2/3L), wobei L die gesamte Länge des Trägers ist. Die Messungen wurden vom äußeren Rand der Probe aus durchgeführt. „Bruchbereich“ beschreibt die Position des Bruchbereichs – zwischen Ladepunkten (BLP) oder direkt unter der Laderolle (LP). Beim 4-Punkt-Biegeversuch wird das maximale Biegemoment zwischen den Belastungspunkten erreicht. Der „Bereich der Risse“ wurde ausgewertet, um den Bereich des Materials zu bestimmen, der durch die Belastung beschädigt wurde. Es wird ein Parameter berechnet, der dem Verhältnis des Risses zur gesamten Oberfläche entspricht. Nach dem Test wurden alle Proben visuell untersucht und die maximalen Abmessungen der Rissfläche gemessen, außerdem wurden die Ergebnisse in Prozent ausgedrückt. Im Abschnitt „Art des Bruchs“ wird die Art des Fehlerursprungs aufgeführt, entweder Kanten- oder Oberflächenbruch.

Wie bereits erwähnt (Veer und Rodichev, 2012) wurden zwei Arten von Frakturen beschrieben. In dieser Forschungsarbeit wird der Mittelriss durch einen Oberflächenriss (Abb. 13 a) und der V-Riss durch ein Kantenversagen (Abb. 13 b) definiert.

Bei einem Kantenbruch entsteht nach dem Bruch des Glases ein „V“-Riss, der sich von einer Stelle der Scheibenkante aus erstreckt. Die zweite Art ist das Oberflächenversagen, bei dem der Riss von der Glasoberfläche ausgeht, wenn das Glas bricht.

Tabelle 5 gibt Auskunft über die Ausfallquoten aller geprüften Proben. Der erste Schritt bei der Bruchanalyse besteht darin, den Ursprung oder Ort zu bestimmen, an dem der Bruch aufgetreten ist. In diesem Fall zeigt der Anteil der Bruchstellen, dass in den unteren Lagen 42 % der Risse in der Mitte der Probe begannen, in den oberen Lagen jedoch 66 % unterhalb der Belastungspunkte. Dieser große Prozentsatz kann durch die Wechselwirkung zwischen Glas und Metallwalzen erklärt werden. Gemäß (EN 1288-3, 2016) müssen Gummiplatten zwischen der Glasprobe und dem Metall eingelegt werden. Bei Proben im Originalmaßstab (360 x 1100 mm) hat der Gummi jedoch keinen Einfluss auf das Ergebnis, bei kleineren und dünneren Proben hingegen schon kann die Kraft-Weg-Kurve verändern.

Tabelle 4: Versagensart und Bruchmuster der Proben

Tabelle 5: Statistiken zur Bruchstelle

Der Anteil der Kantenausfälle zeigt, dass 59 % der Zugseitenbrüche auf Kantenausfälle zurückzuführen waren, bei den oberen Lagen waren es jedoch 80 %. Frühere Studien bestätigen, dass Glasmaterial unvorhersehbar bricht, außerdem stimmt dieses Ergebnis mit Veer und Rodichev (2012; 2011) überein.

Das Verhältnis der Rissflächen zeigt, dass unter Biegebelastung 10–30 % der gesamten Probe beschädigt werden. Diese Zahl ist wichtig für die Beurteilung der Rissausbreitung und für die Bestimmung, wie groß der Einfluss der Zwischenschicht auf diesen Prozess ist. Aus Tabelle 4 lässt sich schließen, dass die „Rissfläche“ nicht von der Art der Zwischenschicht abhängt. Alle Probenserien weisen eine hohe Streuung der Ergebnisse und eine minimale Wiederholbarkeit auf.

Eine der interessantesten Beobachtungen ist Glasversagen bei Scherung (Proben mit Saflex_1.52_RB71-Zwischenschicht) oder Blatttrennung. Die Glasstücke wurden Schicht für Schicht getrennt, was kein typischer Fehlertyp ist. Diese Art von Versagen kann durch die Annahme erklärt werden, dass die Glasoberfläche eine hervorragende Haftung mit der Zwischenschicht aufwies und das Glasmaterial unter der Belastung der hohen Festigkeit der Klebeverbindung nicht standhalten konnte.

Die aktuelle Forschungsarbeit zeigt experimentelle, analytische und numerische Studien zu Zwei-, Vier- und Sechsglaslaminaten mit EVA- und PVB-Zwischenschichten; Insgesamt wurden 66 Proben getestet.

Zur genauen Messung der Längsdehnung in Glas bei hohen Spannungen wurden die Dehnungsmessstreifen auf der Zug- und Druckseite in der Mitte der Probe auf das Glas geklebt. Vierpunkt-Biegeversuche von Verbundglas wurden in der Software ABAQUS/CAE modelliert. Mit den Modellen war es möglich, die maximalen Kräfte und Verschiebungen in den Versuchen vorherzusagen und die Biegespannungen auszuwerten. Alle FE-Modelle wurden durch Testdaten validiert.

Die analytisch berechneten Verschiebungsergebnisse sind im Vergleich zu FE-Analysen und Testergebnissen mindestens 10–58 % höher. Nach aktuellem Forschungsstand lässt sich der Schluss ziehen, dass durch den Einsatz der Finite-Elemente-Methode eine genaue Simulation des mechanischen Verhaltens beim 4-Punkt-Biegen mit sehr hoher Ergebniskorrelation mit Differenzen kleiner 5 % möglich ist. Diese 5 %-Fehler lassen sich durch das variable Verhalten zwischen den Schichten erklären, das von der Temperatur und der Belastungsdauer abhängt.

Die durch die Experimente ermittelten Ergebnisse bestätigen, dass EVA in der Modellierung annähernd gleich behandelt werden kann wie PVB. Es muss erwähnt werden, dass die Schlussfolgerungen unter Laborbedingungen gelten und weitere Untersuchungen durchgeführt werden müssen, um die Behauptung für Temperaturbereiche und Umgebungen außerhalb der Laborbedingungen zu überprüfen.

Die Testergebnisse für mehrschichtige Laminate und 55 % der zwei Glaslaminate ermöglichen eine Bewertung des sogenannten „Nachbruch“-Phänomens. Die Proben zeigten das gleiche Verhalten – zuerst kollabierte das untere Glas (Spannungsseite) und dann andere Glasschichten.

Eine Untersuchung des Glasbruchmusters bestätigt, dass es offenbar keine Präferenz dafür gibt, dass Kantenbrüche auf der linken oder rechten Seite der Balken auftreten. Dies weist darauf hin, dass der Testaufbau ordnungsgemäß war und die Belastung der Proben ohne nennenswerte Neigung erfolgte, was sonst wahrscheinlich zu Brüchen von der linken oder rechten Seite führen würde. Mehr als die Hälfte der Ausfälle hatte ihren Ursprung in der Edge. Darüber hinaus ereigneten sich mehr als die Hälfte der Ausfälle außerhalb der Lastspanne, was die Tatsache unterstreicht, dass Glasbrüche stochastischer Natur sind und schwer vorherzusagen sind. Das Verhältnis der Rissfläche zur Probenoberfläche ist nicht von der Art der Zwischenschicht abhängig.

Diese Forschung wurde durch das Erasmus+-Programm unterstützt. Die Autoren danken der Firma PRESS GLASS SA und RI.SE für die Bereitstellung der Proben.

Liene Sable:Durchführung von Tests, Auswertung der Ergebnisse, Analyse und Interpretation der Ergebnisse, Mitwirkung beim Verfassen des Artikels.

David Kinsella:Mitwirkung bei der Analyse und Interpretation der Ergebnisse, Mitwirkung beim Verfassen des Artikels.

Marcin Kozłowski:Führte Tests durch und beteiligte sich an der Ausarbeitung des Artikels, überprüfte den Artikel.

Alle Autoren waren persönlich und aktiv an der inhaltlichen Arbeit beteiligt, die zum Manuskript führte. Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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