Diss. Nr. 6721 techn. Wiss. ETH Zürich.

Im Konstruktiven Glasbau ist es keine Besonderheit mehr, Glasträger für Dachkonstruktionen und Glasschwerter in Fassaden einzusetzen, um leichte, transparente und in den Hintergrund tretende Tragkonstruktionen umzusetzen. Für die Fügung dieser tragenden Bauteile werden bisher Verbindungsmittel aus Edelstahl eingesetzt, die optisch beeinträchtigen, Bohrungen im Glas erfordern und ungünstige Spannungsspitzen im Glas hervorrufen. Demgegenüber ist das Kleben für den spröden Werkstoff Glas ein materialgerechteres Fügeverfahren. Die Untersuchung einer flächigen Klebverbindung zum Lastabtrag zwischen tragenden Glas-Bauteilen im Primärtragwerk ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Bei einer relativ großen Schichtdicke bildet die transparente Ausführung eine ganz wesentliche Prämisse. Ein weiterer Anspruch liegt in der Alterungsbeständigkeit und der Tragfähigkeit. An einer Auswahl von 14 potentiell geeigneten, transparenten Acrylat-, Epoxidharz- und Polyurethanklebstoffen werden mit Hilfe thermomechanischer und mechanischer Prüfverfahren temperaturabhängige Materialeigenschaften ermittelt. Ergänzend wird die Langzeitbeständigkeit der Klebstoffe durch eine künstliche Alterung im Verbund überprüft. Im Anschluss erfolgt die Ermittlung der lichttechnischen Eigenschaften sowie die visuelle Beurteilung der Sichtproben. Im Resultat wird ein UV- und lichthärtender Acrylatklebstoff als besonders geeignet identifiziert. Für diesen Klebstoff werden Haftfestigkeitsuntersuchungen im Druckscherversuch unter Temperatur- und Alterungseinflüssen sowie Zeitstandversuche an Substanzproben und kleinen Prüfkörpern durchgeführt. Für den Einsatz in einer flächigen Klebung wird ein geeignetes Dosier- und Aushärteverfahren entwickelt. Der Tragfähigkeitsnachweis der geklebten Verbindung erfolgt an großformatigen Bauteilmustern. Bei diesen Versuchen wird jeweils die Belastbarkeitsgrenze des Glases erreicht, während die Klebung intakt bleibt. Ein Zeitstandversuch dient zur Aufzeichnung des Kriechverhaltens an Bauteilmustern bei erhöhter Temperatur. Begleitend zum Entstehen der vorliegenden Arbeit werden mehrere Bauvorhaben mit Ganzglaskonstruktionen umgesetzt. Der Verzicht auf jegliche metallische Verbindungsmittel stellt bei diesen Objekten in Deutschland ein bauaufsichtliches und bautechnisches Novum dar. Die Fügung von Glasstütze und Glasträger innerhalb des gläsernen Primärtragwerks erfolgt ausschließlich und erstmals über eine transparente Acrylatklebung, deren Ausführung auf Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit basiert. Die umschließende Verglasung wird mit einem zugelassenen Silikonklebstoff an der Tragkonstruktion befestigt. Zwei der beschriebenen Bauvorhaben werden seit der Erstellung in einem umfangreichen Monitoring beobachtet, um weitergehende Aussagen zum Langzeitverhalten der Klebungen zu erhalten. Die weitgehenden Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wie auch des laufenden Monitorings sollen Bedeutung und Zuverlässigkeit der transparenten, lastabtragenden Klebungen im Konstruktiven Glasbau belegen helfen. / The use of glass beams in transparent roofs and glass fins as part of the facade is already state-of-the-art construction to achieve a transparent and lightweight appearance. Until now, mechanical fasteners made from stainless steel are used to join these structural components. Those fasteners visually interfere, require holes in the glass and cause unfavorable stress peaks in the glass. In contrast, adhesive bonding is much more appropriate to join the brittle material glass. The subject of this dissertation is the study of a planar adhesive joint which transfers the load between the load-bearing glass components into the primary structure. With a relatively large layer thickness, the manufacturing of the transparent joint represents a major challenge. Furthermore, the aging resistance and the load-bearing capacity must be proven. A selection of 14 potentially suitable, transparent adhesives of acrylate, epoxy resin and polyurethane are tested for temperature-depending material properties. These tests are based on thermo-mechanical and mechanical test methods. In addition, the long-term durability of the adhesives is verified by artificial aging test on bonded specimens. Subsequently, the photometric characteristics and the visual quality of the samples are assessed. As the result an UV- and light-curing acrylate adhesive is identified as particularly suitable. Compression shear tests under temperature and aging influences as well as creep tests are performed on substance samples and small-scale specimens to determine the adhesive strength of this adhesive. A suitable application and curing process is developed for use in planar bonded joints. Tests on specimen components were carried out to determine the load-bearing capacity of the bonded glass frame corners. In these experiments, the glass fails while the adhesive joint remains intact. Creep test are used to record the creep deformation of component specimen at increased temperature. Accompanying the study, several building projects are realized to use adhesive bonding technology in all-glass constructions. Without any visible forms of connection, the glass construction represents a significant innovation in Germany in terms of both building legislation and building technology. It´s the first time, glass fins and glass beams are joint to a glass primary structural system via transparent acrylate adhesive. The connection method is based on the findings of the present study. The glass panels of the envelope are joined to the primary glass structure with an approved silicone adhesive. Two of the described construction projects are monitored to obtain further knowledge about the long-term behaviour of the bonded joints. The comprehensive studies of this thesis as well as the ongoing monitoring have proven the significance and the reliability of transparent, load-bearing bonded joints in the field of glass construction.

Im Konstruktiven Glasbau ist es keine Besonderheit mehr, Glasträger für Dachkonstruktionen und Glasschwerter in Fassaden einzusetzen, um leichte, transparente und in den Hintergrund tretende Tragkonstruktionen umzusetzen. Für die Fügung dieser tragenden Bauteile werden bisher Verbindungsmittel aus Edelstahl eingesetzt, die optisch beeinträchtigen, Bohrungen im Glas erfordern und ungünstige Spannungsspitzen im Glas hervorrufen. Demgegenüber ist das Kleben für den spröden Werkstoff Glas ein materialgerechteres Fügeverfahren. Die Untersuchung einer flächigen Klebverbindung zum Lastabtrag zwischen tragenden Glas-Bauteilen im Primärtragwerk ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Bei einer relativ großen Schichtdicke bildet die transparente Ausführung eine ganz wesentliche Prämisse. Ein weiterer Anspruch liegt in der Alterungsbeständigkeit und der Tragfähigkeit. An einer Auswahl von 14 potentiell geeigneten, transparenten Acrylat-, Epoxidharz- und Polyurethanklebstoffen werden mit Hilfe thermomechanischer und mechanischer Prüfverfahren temperaturabhängige Materialeigenschaften ermittelt. Ergänzend wird die Langzeitbeständigkeit der Klebstoffe durch eine künstliche Alterung im Verbund überprüft. Im Anschluss erfolgt die Ermittlung der lichttechnischen Eigenschaften sowie die visuelle Beurteilung der Sichtproben. Im Resultat wird ein UV- und lichthärtender Acrylatklebstoff als besonders geeignet identifiziert. Für diesen Klebstoff werden Haftfestigkeitsuntersuchungen im Druckscherversuch unter Temperatur- und Alterungseinflüssen sowie Zeitstandversuche an Substanzproben und kleinen Prüfkörpern durchgeführt. Für den Einsatz in einer flächigen Klebung wird ein geeignetes Dosier- und Aushärteverfahren entwickelt. Der Tragfähigkeitsnachweis der geklebten Verbindung erfolgt an großformatigen Bauteilmustern. Bei diesen Versuchen wird jeweils die Belastbarkeitsgrenze des Glases erreicht, während die Klebung intakt bleibt. Ein Zeitstandversuch dient zur Aufzeichnung des Kriechverhaltens an Bauteilmustern bei erhöhter Temperatur. Begleitend zum Entstehen der vorliegenden Arbeit werden mehrere Bauvorhaben mit Ganzglaskonstruktionen umgesetzt. Der Verzicht auf jegliche metallische Verbindungsmittel stellt bei diesen Objekten in Deutschland ein bauaufsichtliches und bautechnisches Novum dar. Die Fügung von Glasstütze und Glasträger innerhalb des gläsernen Primärtragwerks erfolgt ausschließlich und erstmals über eine transparente Acrylatklebung, deren Ausführung auf Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit basiert. Die umschließende Verglasung wird mit einem zugelassenen Silikonklebstoff an der Tragkonstruktion befestigt. Zwei der beschriebenen Bauvorhaben werden seit der Erstellung in einem umfangreichen Monitoring beobachtet, um weitergehende Aussagen zum Langzeitverhalten der Klebungen zu erhalten. Die weitgehenden Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wie auch des laufenden Monitorings sollen Bedeutung und Zuverlässigkeit der transparenten, lastabtragenden Klebungen im Konstruktiven Glasbau belegen helfen. / The use of glass beams in transparent roofs and glass fins as part of the facade is already state-of-the-art construction to achieve a transparent and lightweight appearance. Until now, mechanical fasteners made from stainless steel are used to join these structural components. Those fasteners visually interfere, require holes in the glass and cause unfavorable stress peaks in the glass. In contrast, adhesive bonding is much more appropriate to join the brittle material glass. The subject of this dissertation is the study of a planar adhesive joint which transfers the load between the load-bearing glass components into the primary structure. With a relatively large layer thickness, the manufacturing of the transparent joint represents a major challenge. Furthermore, the aging resistance and the load-bearing capacity must be proven. A selection of 14 potentially suitable, transparent adhesives of acrylate, epoxy resin and polyurethane are tested for temperature-depending material properties. These tests are based on thermo-mechanical and mechanical test methods. In addition, the long-term durability of the adhesives is verified by artificial aging test on bonded specimens. Subsequently, the photometric characteristics and the visual quality of the samples are assessed. As the result an UV- and light-curing acrylate adhesive is identified as particularly suitable. Compression shear tests under temperature and aging influences as well as creep tests are performed on substance samples and small-scale specimens to determine the adhesive strength of this adhesive. A suitable application and curing process is developed for use in planar bonded joints. Tests on specimen components were carried out to determine the load-bearing capacity of the bonded glass frame corners. In these experiments, the glass fails while the adhesive joint remains intact. Creep test are used to record the creep deformation of component specimen at increased temperature. Accompanying the study, several building projects are realized to use adhesive bonding technology in all-glass constructions. Without any visible forms of connection, the glass construction represents a significant innovation in Germany in terms of both building legislation and building technology. It´s the first time, glass fins and glass beams are joint to a glass primary structural system via transparent acrylate adhesive. The connection method is based on the findings of the present study. The glass panels of the envelope are joined to the primary glass structure with an approved silicone adhesive. Two of the described construction projects are monitored to obtain further knowledge about the long-term behaviour of the bonded joints. The comprehensive studies of this thesis as well as the ongoing monitoring have proven the significance and the reliability of transparent, load-bearing bonded joints in the field of glass construction.

Die flexible Anpassungsfähigkeit an Umgebungsbedingungen und äußere Einwirkungen ist der Schlüssel zur weiteren energetischen Optimierung der Gebäudehülle. Bisherige Glasfassaden mit statischem Eigenschaftsprofil können auf tages- und jahreszeitliche Änderungen von solarer Einstrahlung oder Temperaturverläufen nur unzureichend reagieren. Dynamische Verglasungen gewinnen daher im Fassadenbau immer stärker an Bedeutung. Neben bereits etablierten Systemen wie elektrochromen Gläsern werden in aktuellen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben diverse Konzepte für adaptive, multifunktionale Gebäudehüllen untersucht. Einen innovativen Ansatz bildet der Einsatz von Flüssigkeiten im Scheibenzwischenraum von Mehrscheiben-Isolierverglasungen. Diese können thermisch reguliert, mit speziellen Partikeln versetzt oder sogar zur Algenkultivierung verwendet werden und ebnen so den Weg für den Bau von Niedrigstenergiegebäuden. Neben Problemstellungen zur Bauphysik und Gebäudeautomation ergibt sich insbesondere bei der Verbindungstechnik für die einzelnen Glasscheiben aufgrund der direkten Flüssigkeitsexposition ein erheblicher Forschungsbedarf. In ersten, bereits realisierten Pilotprojekten wird der aus der Flüssigkeit resultierende hohe hydrostatische Druck, der auf die Verglasung und damit auch auf den Randverbund wirkt, durch aufgesetzte Klemmleisten abgetragen. Die mechanische Klemmung stellt sicher, dass die Randabdichtung in der Lage ist, ihre Funktion dauerhaft zu erfüllen. Diese aufgesetzte Haltekonstruktion durchbricht jedoch die ebenen Oberflächen, die den Reiz schlanker Glasfassaden ausmachen. Der hohe gestalterische Anspruch, der bei großen Bauprojekten von Architekten und Bauherren nachgefragt wird, kann nur mit einem strukturell geklebten Randverbundsystem erfüllt werden, das für den Einsatz im flüssigen Medium geeignet ist. Bisher sind keine geeigneten Klebverbindungen bekannt, die eine dauerhafte Dichtigkeit und ständigen Abtrag hoher mechanischer Lasten gleichzeitig gewährleisten können. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass aus der eindiffundierenden Feuchtigkeit ein wesentlicher Schädigungsmechanismus für die geklebte Verbindung resultiert. Die Klebstoffsteifigkeit nimmt dadurch in der Regel ab; auch ein Haftverlust kann die Folge sein. Die vorliegende Arbeit stellt sich der beschriebenen Herausforderung einer strukturellen Klebverbindung unter Einfluss einer dauerhaften Flüssigkeitsexposition. Durch ein zweistufig geklebtes Randverbundsystem sollen die wesentlichen Funktionen Dichten und Lastabtragen spezifisch auf separat wirksame Klebstoffe aufgeteilt werden und dadurch ein wesentlicher Vorteil gegenüber bisherigen Klebverbindungen geschaffen werden. Ausgehend von diesem Lösungsansatz werden für die Klebstoffauswahl und Materialcharakterisierung ein umfangreiches, maßgeschneidertes Versuchsprogramm sowie Bewertungskonzept entwickelt. Standardisierte Substanz- und Verbundprüfungen umfassen Zug- und Haft-Zugversuche sowie Versuche zur Materialverträglichkeit. In Anbetracht der speziellen Anforderungen der geplanten Anwendung lassen bis dato existierende Bewertungsgrundlagen und Nachweisverfahren jedoch keine hinreichend zuverlässige Aussage zu. Deshalb werden in dieser Arbeit speziell auf diese Anwendung abgestimmte Versuchsverfahren entwickelt, mit denen die Klebstoffdichtigkeit und Flüssigkeitsaufnahme sowie das Verhalten unter Dauerbeanspruchung analysiert werden. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen werden zwei geeignete Klebstoffsysteme ausgewählt, jeweils eines für die dichtende und eines für die lastabtragende Klebstufe. Weitere experimentelle Versuche fokussieren sich auf die Überprüfung der Funktionalität des neuartigen Randverbundsystems unter Realbedingungen. Mit diesem Ziel wird ein Bauteilprüfstand entwickelt, der die realitätsnahe Prüfung des komplexen Beanspruchungszustands im Randverbundsystem erlaubt. Die Versuche im Bauteilmaßstab 1:2 liefern die notwendige Datengrundlage zur Validierung eines numerischen Berechnungsmodells. Mithilfe des Modells werden der Glasaufbau und das neuartige Randverbundsystem dimensioniert und nachgewiesen. Die gewählte Abstraktionstiefe des Modells ermöglicht dabei sowohl eine wissenschaftlich präzise Beurteilung des Tragverhaltens als auch eine praxistaugliche Bemessung. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Kombination der ausgewählten Klebstoffe eine ausreichende Dichtigkeit und Tragfähigkeit aufweist. Experimentell ermittelte, zeitabhängige Verformungen erlauben eine positive Prognose der zu erwartenden Standzeit. In den Bauteilversuchen bleibt der entwickelte Randverbund selbst im teilzerstörten Zustand der Verglasungen und daraus resultierenden, sehr großen Verformungen intakt. Die Klebfuge wird auch unter gemeinhin kritischen Dauerlasten auf hohem Lastniveau rechnerisch nachgewiesen werden, wenngleich dann die Elementabmessungen gegenüber der ursprünglich angestrebten Elementgröße reduziert werden müssen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Umsetzung eines zweistufig geklebten Randverbundsystems für den Einsatz in flüssigkeitsgefüllten Isolierverglasungen möglich ist. Die entwickelten Prüfverfahren mit definierten Beurteilungsmethoden sowie das ausgearbeitete Versuchsprogramm können für ähnlich gelagerte Fragestellungen herangezogen werden.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Beispielkonstruktion und Beanspruchungsanalyse 4 Klebstoffauswahl und Charakterisierung 5 Anwendungsspezifische Klebstoffuntersuchungen 6 Untersuchungen im Bauteilmaßstab 7 Berechnung und Dimensionierung 8 Handlungsempfehlungenn 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literatur / Flexible adaptability to environmental conditions and external influences is a key to further energy optimisation of the building envelope. Current glass façades with a fixed characteristics cannot respond adequately to changes in solar radiation or temperature during the day and over the seasons. Dynamic glazing is therefore becoming increasingly important in façade construction. In addition to established solutions such as electrochromic glazing, research and development activities are currently investigating various concepts for adaptive, multifunctional building envelopes. One innovative approach is the use of fluids in the cavity between the panes of insulating glass units. The fluid can be thermally regulated, mixed with functional particles or even used to cultivate algae. This paves the way for the design of ultra-low energy buildings. In parallel with the building physics and automation issues, there is a particular need for research into the connection techniques for the individual panes due to the direct contact with a fluid. In the first completed pilot projects, the high hydrostatic pressure acting on the glazing and therefore also on the edge seal, is dissipated by means of attached clamping bars. These external mechanical clamps ensure that the edge seal is able to fulfil its function permanently. However, external mechanical clamps disrupt the smooth surfaces that define the visual appearance of slim glass façades. This high design requirement, often demanded by architects and clients on high value projects, can only be met by a structurally bonded edge seal system designed for use in a fluid medium. To date, there are no suitable adhesive bonds that can provide both a permanent seal and the ability to withstand high mechanical loads. One of the main reasons for this is the diffusion of moisture, which causes significant damage to the bond. Moisture generally reduces the stiffness of the adhesive and can also cause a loss of adhesion. The present work addresses the challenge of a structural adhesive connection that is permanently exposed to a fluid. By using a two-stage bonded edge seal system, the main functions of sealing and structural load transfer are specifically allocated to the separate adhesives. This results in a significant improvement over conventional bonded joints. Based on this approach, a comprehensive test programme and evaluation scheme is developed to select and characterise the adhesives. Standardised material and adhesive bonding tests include tensile, adhesion and material compatibility tests. Given the specific requirements of the proposed application, conventional evaluation principles and design methods do not provide sufficient assurance. Therefore, this thesis deals with the development of customised test procedures to analyse the adhesive permeability and fluid absorption as well as the structural behaviour under permanent load. Based on the results obtained, two suitable adhesives are selected, one for sealing and one for structural load transfer. Further experimental investigations are focusing on testing the functionality of the novel bonded edge seal system under realistic operating conditions. This includes the development of a component test rig that allows the structural behaviour to be realistically investigated under complex loading conditions. Tests on a 1:2 component scale provide a comprehensive data base for the validation of a numerical model. Numerical simulations are used to dimension and verify the glass composition and the adhesive joint. The high level of detail in the numerical modelling allows a scientifically accurate assessment of the load-bearing behaviour as well as a practical design. The results show that the combination of the selected adhesives provides permanent seal and excellent load carrying capacity. The experimentally determined time-dependent deformations allow for a positive prediction of the service life. Even when the glazing is partially destroyed and the resulting deformations are very large, the developed edge seal remains fully intact during the component tests. The adhesive joint is verified by calculations under generally critical permanent loads at a high stress level, even though the unit dimensions have to be reduced from the original target size. This study demonstrates the feasibility of utilising a two-stage bonded edge seal system in fluid-filled insulating glass units. The customised test methods consisting of specified assessment procedures and an elaborated test programme can be applied to address and overcome forthcoming challenges.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Beispielkonstruktion und Beanspruchungsanalyse 4 Klebstoffauswahl und Charakterisierung 5 Anwendungsspezifische Klebstoffuntersuchungen 6 Untersuchungen im Bauteilmaßstab 7 Berechnung und Dimensionierung 8 Handlungsempfehlungenn 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literatur