Improved post-breakage behavior of laminated glass due to embedded reinforcement

Das spröde Verhalten von Glas verlangt innovative Lösungen, um die Standsicherheit von gebrochenen Glasbauteilen sicherzustellen. Glasbauteile müssen im gebrochenen Zustand unter einer definierten Einwirkung über einen festgelegten Zeitraum standsicher bleiben. Diese Anforderung gilt für das einzelne Bauteil als auch für das Gesamttragwerk. Die Tragfähigkeit im gebrochenen Zustand wird als Resttragfähigkeit bezeichnet. Um diese Resttragfähigkeit zu erzielen bzw. zu steigern, werden Verbundsicherheitsglas-Systeme (VSG-Systeme) eingesetzt. Hierbei werden zwei oder mehrere Glasscheiben mittels Zwischenschicht(en) zu einem Laminat zusammengefügt. Der Zustand, in dem sich diese Glasscheiben befinden, bestimmt das Tragverhalten des Laminats. Daher wird der Zustand eines Laminats wie folgt unterschieden: Zustand I: alle Glasscheiben intakt Zustand II: Glasscheibe(n) gebrochen, jedoch mindestens eine intakt Zustand III: alle Glasscheiben gebrochen Nach eingetretenem Bruch der Glasscheiben besitzen VSG-Systeme zumeist eine gewisse Resttragfähigkeit. Jedoch werden die Zeitdauer, die ein gebrochenes VSG-System in der Lagerung verbleibt, sowie die maximal aufnehmbare Resttraglast von zahlreichen Faktoren beeinflusst. Zu diesen Einflussfaktoren zählen: die Glaserzeugnisse, die Lagerungsbedingungen des VSG-Systems, die Geometrie des Laminataufbaus, die verwendete Zwischenschicht, die Art und die Geschwindigkeit der Lasteintragung, die Temperatur der einzelnen Schichten des VSG-Systems und das Bruchbild infolge der Glasschädigung. Bei einer ungünstigen Überlagerung dieser Faktoren besteht die Gefahr, dass keine Resttragfähigkeit vorhanden ist. Diese ist jedoch für den Einsatz von Verglasungen im Überkopfbereich, bei absturzsichernden sowie bei begeh- und betretbaren Verglasungen zwingend erforderlich. In der vorliegenden Arbeit werden VSG-Systeme untersucht. Dabei stehen insbesondere VSG-Systeme aus ESG im Vordergrund, da diese Systeme auf Grund der hohen Zugfestigkeit von ESG im ungebrochenen Zustand I und der sehr geringen Resttragfähigkeit infolge der kleinen Bruchstücke im Zustand III ein großes Verbesserungspotential bieten. Durch eingebettete Bewehrungselemente in der Zwischenschicht können diese Systeme im Zustand III eine Resttragfähigkeit aufweisen. Für die Versuchskörper werden Gewebe und Lochbleche aus Edelstahl als Bewehrungselemente in den Zwischenschichten einlaminiert. In Vier-Punkt-Biegeversuchen wird das Trag- und Resttragverhalten unter kurzzeitiger Lasteinwirkung bei Temperaturen von 23°C, 40°C und 70°C untersucht. Zusätzliche Biegekriechversuche geben Aufschluss über die Resttragfähigkeit unter Dauerlast. Die Arbeit zeigt auf, dass das mechanische Verhalten der Zwischenschicht und somit das Trag- und das Resttragverhalten eines VSG-Systems von der Bauteiltemperatur, der Einwirkungsart und der Einwirkungsdauer geprägt werden. Eine eingebettete Bewehrung in der Zwischenschicht vermag dieses Verhalten insbesondere im Zustand III erheblich zu verbessern. Die Bewehrung-Zwischenschicht-Matrix kombiniert die hohe Dehnsteifigkeit und Festigkeit der Bewehrung mit dem guten Haftungsvermögen der Zwischenschicht. Dies führt zu einer erhöhten Biegesteifigkeit und einer gesteigerten Tragfähigkeit im Zustand III. Die gewonnenen Erkenntnisse aus Versuchen münden in einen Bemessungsvorschlag für gebrochene VSG-Systeme. Anhand des Laminataufbaus wird eine bilineare Momenten-Krümmungs-Beziehung für das VSG-System im Zustand III definiert. Mit dieser lassen sich Aussagen über die vorhandene Momententragfähigkeit und die zu erwartenden Biegeverformungen treffen. Basierend auf der Fließlinientheorie wird die erforderliche plastische Momententragfähigkeit in Abhängigkeit von der Belastung und der Lagerungsbedingungen bestimmt. Die ermittelte Resttragfähigkeit von bewehrten VSG-Systemen ist bedeutend höher als bei unbewehrten Systemen mit PVB-Folie oder SentryGlas als Zwischenschicht. Dies führt bei der Verwendung von bewehrten VSG-Systemen zu reduzierten Glasdicken und somit zu gewichtsminimierten Konstruktionen. Bewehrte VSG-Systeme ermöglichen ein „fail-safe“ Sicherheitskonzept für das sprödbrechende Glas. Dieses Konzept beruht auf dem Grundsatz, dass ein System nicht durch den Ausfall eines einzelnen Elements versagen darf und alternative Lastabtragungsmechanismen zur Verfügung stehen. Dies ist durch die eingebettete Bewehrung gegeben. Darüber hinaus kann die Bewehrung in einem VSG-System auch als gestalterisches Element herangezogen werden. Die Bewehrung kann eine Gebäudehülle je nach Art der Lichtverhältnisse strukturieren, transparent erscheinen lassen oder durch Reflexionen verändern. Auch bauphysikalische Aspekte hinsichtlich Sonnenschutz, Blendschutz und Energieeintrag in ein Gebäude können hierdurch Berücksichtigung finden. Der Einsatz von bewehrten VSG-Systemen als angriffshemmende Verglasung ist ebenfalls denkbar.The brittleness of glass calls for innovative solutions which improve the post-breakage behavior of structural glass elements. Laminated glass guarantees a certain residual strength after the failure of one or several panes of the laminate and has therefore been frequently used in recent times for overhead glazing, glass floors, glass fins and impact resisting glass as well as for all-glass structures. In order to better define the behaviour of laminated glass (LG), it is useful to distinguish three different states: State I: no pane is broken State II: several panes are broken, but at least one remains intact State III: all panes are broken The demand for high structural performance, due to the increasing size of glass panes and all-glass structures, has led to a frequent use of fully tempered (FT) glass. However, fully tempered laminated glass has almost no residual strength in state III. This is due to the break-up into small fragments and the low stiffness and strength of the interlayer currently used. High residual strength in state III may be achieved by establishing the following interlayer performances: high tensile strength, high extensional stiffness, high elongation at rupture and good adhesion. The properties of today's synthetic interlayer materials (e.g. polyvinylbutiral - PVB, SentryGlas Plus SGP) depend on time and temperature. If the temperature of the interlayer exceeds the glass transition temperatures TG the stiffness and strength decreases. Moreover, the synthetic interlayer material creeps under long-term loadings. The resulting increased deflections of an LG unit have to be taken into account to prevent the glass from sliding out of the supports in state III. Improved residual strength is achieved by embedding reinforcement in the synthetic interlayer material. The reinforcement stainless steel-wire meshes, thin perforated metal sheets and fabrics of high-strength fibres is integrated in the interlayer. This reinforcement-interlayer-matrix combines the high tensile and high extensional stiffness of the reinforcement with the high degree of adhesion of the synthetic interlayer material. In state III this reinforcement-interlayer-matrix acts similarly to reinforcement in concrete. An applied bending moment is transferred via a force couple: tension in the matrix and compression in the glass fragments. The synthetic interlayer ensures the bonding of all components. The reinforcement increases the post-breakage flexural stiffness, limits the deflection and makes the post-breakage behaviour of the laminated glass more predictable. As the support conditions of the LG unit determine the nature of the load transfer, the reinforcement-interlayer-matrix may also have to transfer additional membrane forces. The post-breakage behaviour of laminated glass has been investigated, considering the temperature of the laminate, the type of interlayer used and the influence of the reinforcement. In four-point-bending tests, the residual strength of pre-damaged laminated glass (FT) has been investigated under short-term loading. Steel-wire meshes or thin, perforated metal sheets are integrated in the interlayer (PVB or SGP). The temperature of the samples varies between 23°C, 40°C and 70°C, in order to model the real glass temperature and to investigate the change of properties around the glass transition temperatures TG. Only samples with embedded reinforcement develop sufficient residual strength throughout the chosen temperature range. The four-point-bending creep tests have been carried out to investigate how the panes deflect over time due to permanent loading. The stiffness of a LG unit could be further increased if the reinforcement is anchored at the supports, thus activating membrane forces and reducing creep effects. The stress and elongation distribution within the LG unit due to a bending moment can be derived from the interlayer, glass and reinforcement properties in sate III. This approach leads to a bi-linear moment-curvature relationship, which enables the prediction of the existing moment resistance and the deflection of a LG unit. Based on the yield line method, the required moment resistance of a LG unit in state III can be determined. The glass reinforcement acts not only as a structural but also as an architectural device. It provides the building envelope with a fine pattern as well as with a sunscreen. The degree of transparency as well as the degree of sun-screening may be controlled by an appropriate choice of mesh width and diameter. If stainless steel reinforcement is used, a silvery, reflective building envelope is achieved in daylight, while at night the same building is characterized by high transparency, when illuminated from within