Design, Konstruktion und experimentelle Prüfung von röhrenförmigen Glassäulen

Datum: 7. Juli 2022

Diese Forschung konzentriert sich auf die Gestaltung, Herstellung und Prüfung von röhrenförmigen Glassäulen, mit besonderem Schwerpunkt auf deren Redundanz- und Brandschutzmechanismen; Darüber hinaus werden Aspekte berücksichtigt wie: die Säulenform; Reinigung und Instandhaltung; Endverbindungen; geometrische Toleranzen im Glas und Demontierbarkeit. Um diese Aspekte zu berücksichtigen, werden zunächst zwei alternative kreisförmige Hohlsäulen-(Rohr-)Säulenkonstruktionen entwickelt und konstruiert: die MLA (Multi Layered with Air) und die SLW (Single Layered with Water). Bei beiden Konzepten besteht die Haupttragkonstruktion aus zwei konzentrischen Verbundglasröhren.

Um die Herstellungsherausforderungen und das strukturelle Potenzial dieser Konzepte zu erkunden, konzentrieren sich die Prototypen- und Versuchsarbeiten auf sechs 300 mm lange Proben mit einem Außendurchmesser von 115 mm, die laminiert und in kundenspezifische Endverbindungen aus technischem Stahl eingepasst werden. Bei der Herstellung wird besonderes Augenmerk auf den Laminierungsprozess und die damit verbundene Blasenbildung, den möglichen Bruch des Glases durch innere Harzaushärtungsspannungen und die Schnittstelle zwischen Glasrohr und Stahlendverbindungen gelegt. Alle Muster sind mit der Komponente Ködistruct LG 2-PU laminiert.

Drei Proben werden aus DURAN®-Glas (geglüht) und die anderen drei aus DURATAN®-Glas (hitzeverstärktes Glas) zusammengesetzt. Anschließend werden die sechs Proben so lange unter Druck getestet, bis das Verhalten des Zwischenschichtmaterials, das Verhalten der Designs nach dem Bruch, die Unterschiede zwischen getemperten und wärmeverfestigten Proben, die Kapazität der Glasröhren und die Leistung von untersucht werden die Endanschlüsse. Anfängliche Risse traten zwischen 95 und 160 kN (Druckfestigkeit von 30 bis 50 MPa) bei den DURAN®-Proben und zwischen 120 und 160 kN (Druckfestigkeit von 37 bis 50 MPa) bei den DURATAN®-Proben auf.

Diese Belastungen sind geringer als die durch Berechnungen geschätzten; Konkret traten die ersten Risse bei 34–64 % der berechneten Belastung auf. Dennoch erweisen sich die Proben als robust und verfügen über eine beträchtliche Tragfähigkeit über die ersten Risse hinaus, was zu einer maximalen nominellen Druckfestigkeit von bis zu 152 MPa für die DURATAN®-Proben und bis zu 233 MPa für die DURAN®-Proben führt .

1.1. Problemeinführung

Die hohe Druckfestigkeit von Glas macht es ideal für Druckelemente wie Säulen geeignet. Glassäulen sind eine besonders vielversprechende Anwendung, da ihre Transparenz auch eine Raumkontinuität und eine bessere Tageslichteindringung in Innenräumen ermöglicht. In der Praxis wurden sie jedoch aus mehreren Gründen nur selten angewendet: Mangel an ausreichenden Festigkeitsdaten und Baurichtlinien, unsichere Variablen, Kosten, Komplikationen bei der Herstellung, schlechte Feuerbeständigkeit, geringe Zugfestigkeit sowie die spröde und spontane Natur des Glases Scheitern (Kalamar et al. 2016) (Oikonomopoulou et al. 2017).

Laut Nijsse und Ten Brincke (2014) gibt es fünf Arten von Ganzglassäulen: profilierte, geschichtete Rohrsäulen, gebündelte, gegossene und gestapelte Säulen. Oikonomopoulou et al. (2017) gibt einen ausführlichen Überblick über die bisher durchgeführten experimentellen Arbeiten zu den verschiedenen Arten von Ganzglassäulen und stellt fest, dass derzeit die einzige freistehende strukturelle Glassäule, die in Gebäuden eingesetzt wird, die profilierte Glassäule mit einem kreuzförmigen Kreuz ist -Abschnitt. Dennoch weist eine geschlossene, rohrförmige Profilsäule eine wesentlich bessere (Biege-)Knickfestigkeit auf; Darüber hinaus ist es aufgrund des Fehlens von Winkeln und Kanten weniger anfällig für unbeabsichtigte Stöße (Eekhout 2019) und kann optisch als weniger aufdringlich wahrgenommen werden.

Obwohl von Achenbach und Jung (2003) einige experimentelle Untersuchungen zu Glasröhren durchgeführt wurden, haben Doenitz et al. (2003) und Overend et al. (2005) gibt es für diesen effizient geformten Glassäulentyp noch keine etablierten Herstellungsverfahren mit zugehörigen Prüf- und Berechnungsmethoden. Trotz des Mangels an existierenden Beispielen von Glasröhrensäulen wurden Glasröhren bisher strukturell in Tensegrity-Strukturen (Achenbach und Jung 2003), in der Fassade des Atriums des Tower Place in London (Doenitz et al. 2003) und in eingesetzt ein Fachwerkträger mit Reißverschluss, der Spannung und Kompression durch das Aufleuchten von Farben in den Glasröhren demonstriert (Glass & Swinging Structures bv. 2021).

Van Nieuwenhuijzen et al. (2005) und Veer und Pastunink (1991) entwickelten zuvor eine Verbundglassäule aus zwei konzentrischen Glasröhren. Laut Van Nieuwenhuijzen et al. (2005) ergaben sich die größten Herausforderungen bei der Laminierung aufgrund der Schrumpfung des Klebstoffs und der Maßunverträglichkeiten der Glasröhren. Daher ist mehr Wissen für die Realisierung dieser Art von Glassäule erforderlich, insbesondere über die Herstellungsprozesse, Brandschutzmechanismen und Robustheit. Das Hauptziel dieser Forschung besteht daher darin, eine transparente, röhrenförmige Glassäule zu entwerfen und zu konstruieren, die tragfähig, redundant, robust und feuerfest ist.

1.2. Methodik

In diesem Artikel werden Design, Technik und experimentelle Tests von Röhrenglassäulen vorgestellt. Zunächst werden Entwurfskriterien zu Brandschutz, Redundanz, Herstellung und Austauschbarkeit festgelegt. Zweitens werden zwei alternative Gestaltungskonzepte mit unterschiedlichen Brandschutzstrategien entwickelt; Auch auf die Gestaltung der Endanschlüsse wird Wert gelegt. Bei beiden Konzepten besteht das tragende Element der Stütze aus zwei konzentrischen Rohren, die über ein Zwischenmaterial miteinander verbunden sind. Im Anschluss konzentriert sich die experimentelle Arbeit auf die Herstellung und Erprobung von sechs kleinformatigen Prototypen aus zwei laminierten konzentrischen Rohren unter Druck. Die getesteten Proben bestehen entweder aus getemperten (DURAN® – 3 Proben) oder wärmegehärteten Glasrohren (DURATAN® – 3 Proben), hauptsächlich um den möglichen Bruch des Glases durch innere Spannungen beim Aushärten des Harzes zu beobachten und die Unterschiede in zu beobachten Versagen. Herstellbarkeit, Tragfähigkeit, Robustheit und Bruchverhalten werden untersucht.

1.3. Redundanz und Brandschutz: Entwurfskriterien und -strategien

Laut Honfi und Overend (2013) gibt es drei Redundanzebenen in Glasstrukturen: Material, Komponente und Struktursystem. Um die Redundanz der Komponenten zu verbessern, wird wärmeverstärktes Glas gegenüber getempertem Glas bevorzugt (Oikonomopoulou 2019), da es beim Laminieren eine höhere Zugfestigkeit und Restkapazität nach Bruch aufweist. Dadurch wird auch die Feuerbeständigkeit verbessert.

Relevante Leistungskriterien von Brandschutzglas sind: Integrität, Isolierung und Strahlung (Gravit et al. 2019). Zur Verbesserung der thermischen Beständigkeit der Glassäule wird Borosilikatglas bevorzugt. Dies ist auf den im Vergleich zu Kalk-Natron-Glas deutlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten zurückzuführen, der zu einer höheren Temperaturwechselbeständigkeit führt (aus diesem Grund wird in Laborartikeln typischerweise Borosilikatglas verwendet). Eine interessante Lösung im Hinblick auf die Isolierung besteht darin, die Glasröhren mit Wasser zu füllen, um das Glas kühl zu halten. Dieses Konzept wurde für die Säulen des Samsung Museums in Seoul in Korea eingeführt; Leider wurde das Projekt aufgrund des Zusammenbruchs der koreanischen Wirtschaft nicht realisiert (Nijsse 2003).

1.4. Endverbindungen: Designkriterien und Hauptanliegen

Bei der Gestaltung der Endanschlüsse werden folgende Aspekte berücksichtigt:

1.5. Überlegungen zur Herstellung

Da die Säule abgedichtet werden muss, um das Eindringen von Schmutz in die Säule zu verhindern, wird das Glasrohr zu einem geschlossenen Hohlraum. Isochore Drücke entstehen aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen der Innenseite und der Außenseite der Säule. Letztendlich könnte dieser Druck zu Kondensation führen. Beim Aufheizen des Laminiervorgangs kommt es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas und Zwischenschichtmaterial zu thermischen Spannungen. Darüber hinaus kommt es aufgrund der geometrischen Toleranzen im Glas zu Dickenunterschieden im Zwischenschichtmaterial. Je dicker die Zwischenschicht ist, desto größer ist die Belastung des Glases während und/oder nach der Aushärtung. Wenn die Zwischenschicht zu dünn wird, ist die strukturelle Integrität nicht gewährleistet.

Alle oben genannten Kriterien und Anliegen werden sorgfältig berücksichtigt und führen zu den beiden Konzeptentwürfen wie folgt:

2.1. MLA-Spalte

Die MLA-Säule (Abbildung 1, links) besteht aus einem äußeren, nicht tragenden Rohr und zwei inneren tragenden Borosilikatglasrohren. Die äußere Glasröhre ist auf ihrer Innenfläche mit einer Polymerbeschichtung versehen, deren Hauptzweck darin besteht, die inneren Glasschichten zu schützen. Die beiden inneren, tragenden Rohre sind durch ein transparentes Zwischenschichtmaterial miteinander verbunden. In diesem Projekt wird Ködistruct LG, LOCA-Material von HBFuller Kömmerling verwendet. Dabei handelt es sich um ein duroplastisches Flüssigharz, das aus vernetzten Polymeren besteht. Die erste Komponente ist Polyol und die zweite ist Isocyanat.

Dieses Zwischenschichtmaterial härtet bei Raumtemperatur aus. Dadurch findet keine plötzliche Abkühlung statt, wodurch keine extremen Spannungen auftreten. Darüber hinaus hat dieses Zwischenschichtmaterial einen geringen Schrumpfwert (3,5 %), was zu geringeren Mengen eingeschlossener Luft (z. B. Blasen) und geringen Eigenspannungen innerhalb der Klebeschicht führt. Die äußere Oberfläche der Mittelschicht wird mit einer transparenten Feuerschutzbeschichtung (z. B. HCA-TR) beschichtet.1 . Diese Beschichtung wird durch das äußere Glasrohr vor Kratzern geschützt. Darüber hinaus empfiehlt sich der Einsatz von Sprinklern im Gebäude, um im Brandfall die Temperatur des Glases für eine vorgegebene Dauer zu senken.

1Es ist zu beachten, dass diese Beschichtung nur auf Flachglasplatten getestet wurde und für die Anwendung von Glasröhren weiterer Forschungsbedarf besteht.

Wie bereits erwähnt, können Temperaturunterschiede zwischen dem geschlossenen Hohlraum der Glasröhre und der Außenseite zu einem Luftdruck führen, der wiederum zu Kondensation und Spannungen führen kann. Sollte die Glassäule diesen Belastungen nicht standhalten, kann der Luftdruck durch eine Belüftungsanlage reguliert werden. Dennoch kann es zu Kondensation kommen. Daher sind in der Konstruktion Silikat-Trockenmittelkörner enthalten, ähnlich wie Trockenmittel, die üblicherweise in Isolierverglasungen verwendet werden. Abbildung 2 (links und Mitte) zeigt das MLA mit und ohne Belüftungssystem.

2.2. SLW-Säule

Die SLW-Glassäule (Abbildung 1, rechts) besteht aus zwei Glasröhren, die durch ein Zwischenschichtmaterial (dasselbe flüssige Harz, das für die MLA verwendet wird) miteinander verbunden sind. Bei diesem Konzept wird die Röhre mit Wasser gefüllt, um das Glas im Brandfall kühl zu halten. Das Wasser wird durch die Säule gepumpt. Wie bei der MLA-Variante empfiehlt es sich, bei Bedarf auch Sprinkler im Gebäude einzusetzen, um die Temperatur von Glas weiter zu senken. Die 3D-Ansicht von SLW ist in Abbildung 2 (rechts) dargestellt.

Um den daraus resultierenden thermischen Belastungen standzuhalten und die Kondensationsgefahr zu verringern, wird über ein Belüftungssystem gefilterte Luft zugeführt, Wasser wird reguliert oder Silikatkörner werden in die Konstruktion einbezogen. Durch den Laminierprozess auftretende Spannungen müssen in den experimentellen Untersuchungen überprüft werden.

2.3. Gestaltung von Endverbindungen

Bei beiden Ausführungen werden Gelenkverbindungen verwendet, um sicherzustellen, dass nur axiale Druckkräfte auf die Glassäule übertragen werden. Zwischen dem Stahlschuh und den Glasrohren wird ein POM-Block platziert, da dieser einen niedrigeren Elastizitätsmodul als Glas hat. Hilti-Mörtel wird unter den Glasrohren in die Nut des POM-Blocks eingespritzt, um die Druckkräfte von der Verbindung auf die Glasrohre zu verteilen. Der POM-Block kann mehrere Varianten der Glassäulen aufnehmen, z. B. die Anwendung: Wasser, Luft oder Quarzkörner. Abbildung 3 zeigt zwei verschiedene 3D-Querschnitte der Endverbindung des MLA.

Einige Schritte der Montagesequenz sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Umweltverträglichkeit wird durch die Demontierbarkeit berücksichtigt. Die Glassäule kann in einem Stück aus dem Gebäude entfernt werden. Um dies zu erreichen, werden Trockenverbindungen verwendet, sodass alle Komponenten auch wiederverwendet werden können2 . Auf diese Weise ist es auch möglich, die Säule bei Bruch auszutauschen (Abbildung 4). Auf beiden Seiten der kaputten Säule müssen provisorische Stützen angebracht werden, und die Säule kann entfernt und ersetzt werden.

2 Mit Ausnahme des Hilti-Mörsers, der nicht wiederverwendbar ist; Auch eine Delamination der Glasröhren wird nicht für möglich gehalten.

Bei beiden Designkonzepten besteht die tragende Glasstruktur aus zwei Glasröhren, die über ein Zwischenschichtmaterial miteinander verbunden sind. Dieser Teil gilt im Hinblick auf die Herstellung als der wichtigste, da er die Verbindung der beiden Glasröhren miteinander beinhaltet. Um sowohl das strukturelle Potenzial als auch die Herstellungsherausforderungen der entwickelten Konzepte zu untersuchen, konzentrieren sich die experimentellen Arbeiten auf die Herstellung und Erprobung von 6 kleinen Glasprototypen mit 300 mm Länge und 115 mm Außendurchmesser. Diese Proben bestehen aus zwei Glasröhren, die mit einem Zwischenschichtmaterial verbunden sind.

Der Laminierungsprozess ist empfindlich, da er die Blasenbildung und einen möglichen Bruch des Glases durch Schrumpfspannungen beeinträchtigt. Die Prototypen werden von HBFuller Kömmerling laminiert und im Stevin-Labor II der Technischen Universität Delft unter Druck getestet, um das Verhalten des Zwischenschichtmaterials, die Reaktion der Designs nach einem Ausfall und die Unterschiede zwischen vorgespanntem und vorgespanntem Glas zu untersuchen Proben, das Verhalten der Verbindungen unter Druck und die Kapazität der Glasrohre und der Verbindungen.

3.1. Prototyp-Layout im kleinen Maßstab

Jede Probe besteht aus zwei Glasröhrchen. Der Durchmesser des Außenrohrs beträgt 115 mm, die Wandstärke 5 mm und die Länge 300 mm. Der Durchmesser des Innenrohrs beträgt 100 mm, die Wandstärke 5 mm und die Länge 300 mm. Dadurch entsteht zwischen den beiden Glasröhren ein Hohlraum von ca. 2,5 mm. Abbildung 6 zeigt eine Darstellung der Proben. Von den 6 Proben bestehen die ersten drei Proben aus DURAN® (geglühten) Glasröhren und die anderen drei Proben aus DURATAN® (hitzevorgespannten) Glasröhren.

Bei allen Mustern bestehen die Endverbindungen aus3:

3Da die Kopfplatte der Prüfmaschine Löcher für die Drähte hatte, wurden die in Abbildung 6 gezeigten Stahlplatten bei der Prüfung weggelassen.

3.2. Herstellung von Prototypen

Die extrudierten Glasrohre werden von SCHOTT in Deutschland hergestellt. SCHOTT schnitt die Proben auf Maß, feuerpolierte die Kanten und führte bereits im Werk eine erste, primäre Prüfung der korrekten Passung der Rohre (ineinander) durch. Anschließend wurden die Glasröhren zur Laminierung (dh zum Verkleben der Röhren) zu HBFuller Kömmerling in Deutschland transportiert. Als Zweikomponenten-Flüssigharz-Zwischenschichtmaterial wurde Ködistruct LG gewählt; Seine hydroelastische Beschaffenheit ermöglicht eine langsame Aushärtung. Nach dem Gießen wurde das Zwischenschichtmaterial auf 40 °C erhitzt, um eine vollständige Aushärtung sicherzustellen. Die Rohre werden in vertikaler Position laminiert. Die Endverbindungen, Stahl- und POM-Komponenten werden mit Hilfe von Octatube entworfen und entwickelt.

Die Stahlschuhe werden aus CNC-gefrästen Stahlstangen gefertigt, um die gestalteten Kammern zu erzeugen. In diesen Kammern werden der POM-Block und die Stahlscharniere (Techniparts) platziert. Die POM-Blöcke werden aus massiven POM-Stäben gefräst, um die gewünschten Rillen zu erhalten. Bei der Montage werden Dehnungsmessstreifen auf die inneren und äußeren Glasrohre geklebt. Abschließend wird der Mörtel HILTI HIT-HY 270 in die Nuten der POM-Blöcke eingespritzt und die Verbundglasrohre darauf platziert. Der Mörtel verteilte sich gut in den Rillen und ließ sich gut injizieren, wobei das Glas sauber blieb. In Abbildung 7 sind die Stahl- und POM-Komponenten sowie der Laminierungsprozess dargestellt.

Vor der Prüfung werden die oben genannten Dehnungsmessstreifen, die auf die Glasrohre geklebt sind, mit den Anschlüssen verlötet. Auf jede Probe sind zwölf Dehnungsmessstreifen aufgeklebt, sechs auf der Außenseite und sechs auf der Innenseite. An den Stellen, an denen die Dehnungsmessstreifen aufgeklebt sind, wird das Glas leicht angeschliffen, um sicherzustellen, dass die Dehnungsmessstreifen nicht abfallen. Anschließend konnten die Drähte auch an die Anschlüsse angelötet werden. In die Nuten der POM-Blöcke werden Holzstücke eingeklebt, um das Glas auf der richtigen Höhe zu halten. Anschließend konnte der Mörtel HILTI HIT-HY 270 injiziert werden, dessen Aushärtung ca. 5 Minuten dauert. Innerhalb dieser 5 Minuten musste der Mörtel eingespritzt, geglättet und das Glas in der richtigen Höhe auf den Mörtel und die Holzstücke gelegt werden. Anschließend mussten die Drähte auf Null gestellt werden und schon waren die Proben bereit für die Prüfung. Abbildung 8 zeigt die Proben, die zum Testen bereit sind.

4.1. Versuchsaufbau

Für die Druckprüfung der Proben wird eine hydraulisch weggesteuerte Universalprüfmaschine mit einer Querkopf-Verdrängungsgeschwindigkeit von 1 mm/min eingesetzt. Die Proben werden zwischen einem Kopf und einer Grundplatte eingespannt (Abbildung 8, rechts).

4.2. Unterschiede zwischen geglühten und wärmeverfestigten Proben

In Abbildung 10 (links) ist eine rissige, geglühte Probe nach der Prüfung dargestellt. Die geglühten Proben (AN1-3) zeigten einige gerade, vertikale Risse parallel zur Rohrlänge. Die Risse breiteten sich langsam aus. Die ersten Risse traten zwischen 95 und 160 kN Druckbelastung auf, ein vollständiges Versagen trat jedoch erst zwischen 700 und 750 kN auf. Beim endgültigen Nachlassen der Kraft traten weitere kleine senkrechte Risse auf. In beiden Rohren traten Risse auf, was auf ein gutes Zusammenwirken zwischen ihnen hindeutet.

In Abbildung 10 (rechts) ist eine gerissene wärmeverfestigte Probe nach der Prüfung dargestellt. Die vorgespannten Glasproben (HS3-4) zeigten deutlich mehr Risse, wiederum vertikal und parallel zur Länge des Rohrs. Die ersten Risse traten bei 120-160 kN auf. Im Gegensatz zu den getemperten Glasproben traten Risse zunächst im Außenrohr auf. Die Risse breiteten sich schnell und mit großer Geschwindigkeit aus. Am Ende der Tests explodierte das Innenrohr aufgrund des Glasbruchs (ca. 390-490 kN) sofort in kleine Stücke. Dies bedeutet, dass die Mitwirkung der wärmeverfestigten Proben geringer ist als die der getemperten Proben. Einen Überblick über die Unterschiede zwischen geglühten und wärmeverfestigten Proben gibt Tabelle 1.

Tabelle 1: Unterschiede zwischen geglühten und wärmeverfestigten Proben.

So traten erste Risse zwischen einer Druckfestigkeit von 30–50 MPa bei den DURAN®-Proben und zwischen 37–50 MPa bei den DURATAN®-Proben auf, was nahezu gleichen Werten entspricht. Angesichts der Tatsache, dass wärmevorgespanntes Glas eine höhere Zugfestigkeit aufweist als vorgespanntes Glas, wäre zu erwarten, dass wärmevorgespannte Rohre eine bessere Leistung erbringen und im Vergleich zu vorbehandelten Rohren bei höheren Werten ausfallen. Darüber hinaus deuteten die Experimente darauf hin, dass wärmegehärtete Glasröhren eine geringere Tragfähigkeit nach der Rissbildung (nach der anfänglichen Rissbildung) aufwiesen als die getemperten Glasröhren.

Ein möglicher Grund könnte sein, dass bei den wärmeverfestigten Proben zuerst das äußere Rohr riss, während bei den geglühten Proben beide Rohre Risse aufwiesen. Es könnte sein, dass die Verbundwirkung zwischen den konzentrischen wärmeverfestigten Rohren und der Zwischenschicht geringer war, sodass die gesamte Belastung dann nur vom Außenrohr aufgenommen wurde. Dennoch ist das Rissmuster (Fragmentierungsgrad) im Wesentlichen ein Energiefreisetzungsphänomen. Sie ist eine Funktion des Spannungszustands, einschließlich der Vorspannung und der durch die Belastung induzierten Spannungen.

Bei getempertem Glas ist die Vorspannung nahezu Null, was bedeutet, dass die Fragmentierung hauptsächlich eine Funktion der angelegten Spannungen ist. Bei vorgespanntem Glas wird die Fragmentierung sowohl durch die Vorspannung als auch durch die aufgebrachten Spannungen beeinflusst. Dies bedeutet, dass es möglich sein könnte, ähnliche Anfangsrisswerte für das getemperte und das vorgespannte Glas zu erreichen. Eine andere Erklärung könnte sein, dass die Lasten über die Kanten der Rohre eingeleitet werden, wodurch Spannungsspitzen in der Oberfläche nicht auftreten.

4.3. Manuelle Berechnungen

Zuvor werden einige manuelle Berechnungen durchgeführt. In den manuellen Berechnungen werden keine Risse berücksichtigt, sodass die Ergebnisse aus den Berechnungen und den Tests variieren können. Folgende Gleichungen werden verwendet:

Wo:

In Tabelle 2 sind die Dehnungen und Verschiebungen angegeben, die mithilfe der Gleichungen 1, 2 und 3 berechnet wurden.

Tabelle 2: Die berechneten Dehnungen und Verschiebungen.

4.4. Ergebnisse

Die aus den manuellen Berechnungen erhaltenen Werte (Tabelle 2) können mit den durchschnittlichen Dehnungen und Verschiebungen aus den Tests verglichen werden, die in Tabelle 3 angegeben sind. Fast alle Dehnungen und Verschiebungen aus den Tests liegen im Bereich der berechneten Werte, nur Dehnungsmessstreifen 12 war in Stichprobe 3 abweichend, wobei die Durchschnittswerte niedriger ausfielen als berechnet.

Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Hier ist die anfängliche Bruchlast (als der erste Riss auftrat) und die maximale Last (als die Glasproben zu splittern begannen) mit den entsprechenden Spannungen dargestellt. Die Querschnittsfläche der beiden Glasröhren beträgt ca. 3220 mm2. Bei einer Kompression der Probe mit einer Kraft von 750 kN liegen die Druckspannungen bei etwa 233 MPa. Dies liegt nahe an der theoretischen maximalen Druckfestigkeit für Borosilikatglas von 260–350 MPa (Oikonomopoulou 2019).

Zugspannungen entstehen aufgrund der Querdehnungen, die durch die Poissonzahl verursacht werden. Da die Druckfestigkeit höher ist als die Zugfestigkeit, wird die Zugfestigkeit vor der Druckfestigkeit erreicht (Haldimann et al. 2008). Aufgrund des Poisson-Verhältnisses kommt es zu einer Querdehnung, die zu Zugspannungen führt. Die Zugfestigkeit in Tabelle 3 wird aus Gleichung 4 berechnet. Nach SCHOTT beträgt die Poissonzahl für Borosilikatglas 0,2 (SCHOTT nd).

Wobei υ die Poissonzahl ist.

Tabelle 3: Die durchschnittlichen Dehnungswerte und entsprechenden Verschiebungen aus den Tests – Proben 1, 2, 3, 4, 6.

Tabelle 4: Testergebnisse für Versagen und maximale Belastung mit entsprechenden Belastungen – alle Proben

Die gleichmäßige Kraftverteilung wird durch Dehnungsmessstreifen überprüft. Sind die Kräfte in den Glasröhren gleich, dann sind auch die Dehnungen gleich. Abbildung 9 (links) zeigt eine typische Dehnungs-Last-Kurve einer der Proben. R001-R012 sind die zwölf Dehnungsmessstreifen. R001-R006 sind die Dehnungsmessstreifen, die an der Außenseite der Glasröhren angebracht sind, und R007-R012 sind die Dehnungsmessstreifen an der Innenseite der Glasröhren. Wie in Abbildung 9 dargestellt, sind die Dehnungen am Anfang nahezu gleich. Danach verändert sich das Spannungsfeld, wodurch einige Dehnungsmessstreifen abweichen. Für Letzteres gibt es mehrere mögliche Gründe:

Die Verbindungen und der Mörtel HILTI HIT-HY 270 blieben intakt. Nur das Glas ist zerbrochen. Der Test wurde beendet, als die Glassäule eine Kombination aus mehreren Brüchen und einem deutlichen Abfall der Last-Verschiebungs-Kurve aufwies. Dies kann daher als die ultimative Kompressionsfähigkeit der Glassäulen angesehen werden. Abbildung 9 (rechts) zeigt die Last-Verschiebungs-Kurven für alle Proben mit Ausnahme von Probe 5. Die Kurve von Probe 5 ist nicht zuverlässig, da die Maschine während des Tests einige Daten nicht aufzeichnen konnte.

Die Punkte in der Grafik stellen die Belastung dar, bei der der erste Riss in den Proben auftrat (die Versagenslast). Die Risse traten zwischen 95 und 160 kN auf. Dies entspricht einer Druckspannung von 29,5–49,5 MPa, mit entsprechenden Zugspannungen von 5,9–9,9 MPa. Basierend auf den Gleichungen 6 und 7 von NEN 2608 (2014) beträgt die zulässige Zugspannung für vorgespanntes Glas 15,5 MPa und für vorgespanntes Glas 36,3 MPa; was wiederum bedeuten würde, dass theoretisch bei gegebenem Aufbau die ersten Risse bei etwa 250 kN Druckbelastung und einer entsprechenden Nenndruckfestigkeit von 78 MPa auftreten müssten.

Mögliche Gründe, die das frühzeitige Brechen von Glas erklären können, sind:

Bei allen Proben begannen die Risse entweder am oberen oder unteren Rand der Glasröhren. Diese Risse könnten durch Querdehnung entstanden sein, die zu Zugspannungen führte. Nach dem Auftreten von Rissen werden lokale Spannungen abgebaut. Die zerbrochenen Glasröhren werden durch das Zwischenschichtmaterial zusammengehalten und sorgen so für eine hohe Tragfähigkeit nach dem Bruch. Die Kurve aus den Last-Verschiebungs-Kurven setzte sich fort, was bedeutet, dass nach dem Bruch keine Steifigkeit verloren geht.

Diese Studie untersuchte das Potenzial und die Grenzen beim Entwurf und der Konstruktion einer robusten, redundanten, feuerfesten, transparenten Röhrenglassäule. Es werden zwei Varianten entworfen und konstruiert: die MLA und die SLW. Fertigungstoleranzen der Glasröhren und ihrer Laminierung können eine Herausforderung darstellen. Die Rohre müssen durch Laminieren miteinander verbunden werden, um robust zu sein, und die Säule ist bei Bruch austauschbar. Ein weiterer Aspekt, der Aufmerksamkeit erfordert, ist der Zusammenbau der Säule. Durch Luft- und Wasserregulierung können isochore Drücke und thermische Spannungen vermieden werden. Andernfalls können Quarzkörner zur Wasseraufnahme bei Kondensation eingesetzt werden. Besonders entscheidend für das Verhalten der Stützen ist die Gestaltung der Endanschlüsse. Die Verbindungen sind gelenkig und zur Verteilung der Kräfte im Glas wird der Mörtel HILTI HIT-HY 270 verwendet. Darüber hinaus sind POM-Blöcke zwischen den Glas- und Stahlkomponenten vorgesehen.

Zur Prüfung werden sechs Proben mit einer Länge von 300 mm und einem Außendurchmesser von 115 mm aus zwei tragenden Borosilikatglasrohren von SCHOTT hergestellt. Die Rohre werden von HBFuller Kömmerling miteinander verklebt. Die Verbindungen bestehen aus: einem POM-Block und einer Stahlhalterung (Octatube), Stahlscharnieren GX50T (Technipartz) und HILTI HIT-HY 270 Mörtel.

Zwischen einer Druckfestigkeit von 30–50 MPa bei den DURAN®-Proben und zwischen 37–50 MPa bei den DURATAN®-Proben traten erste Risse auf; In allen Fällen gehen die Risse von der Ober- oder Unterkante der Glasröhren aus. Nur das Glas zerbrach und die Verbindungen blieben intakt. Die Spannung bei der anfänglichen Rissbildung ist geringer als durch manuelle Berechnungen vorhergesagt; Die ersten Risse traten bei 34-64 % der berechneten Belastung auf. Dies kann auf mehrere Faktoren zurückgeführt werden, unter anderem auf auftretende Spannungsspitzen aufgrund von Fertigungstoleranzen oder exzentrischer Belastung.

Dennoch besteht aufgrund des Zwischenschichtmaterials ein gutes Maß an Verbundwirkung zwischen den Rohren. Auch nach dem Bruch blieben die Proben steif und fest. Die nominelle Druckfestigkeitskapazität für DURATAN®-Proben beträgt etwa 150 MPa und für DURAN®-Proben etwa 233 MPa. Die geglühten Proben wiesen eine langsame Rissausbreitung auf und sind in der Lage, nach der anfänglichen Rissbildung etwa vier- bis fünfmal mehr Last zu tragen. Die wärmeverfestigten Proben hatten eine schnelle Ausbreitung und sind in der Lage, nach anfänglicher Rissbildung eine dreimal höhere Last zu tragen.

Dennoch sind weitere Tests erforderlich, um Designwerte zu ermitteln, da die aktuellen Tests eher begrenzt sind. Um den Effekt des Knickens in solchen Röhrenglassäulen beurteilen zu können, ist es notwendig, Druckversuche an längeren Proben durchzuführen. Es wird außerdem empfohlen, Proben unter Stoß-, Feuer-, Kurzzeit- und Langzeitbelastung zu testen. Um die Transparenz weiter zu verbessern und die Schrumpfung innerhalb des Zwischenschichtmaterials zu verringern, müssen außerdem weitere Untersuchungen zum Laminierungsprozess einer Tube in einer Tube durchgeführt werden. Bei Tests werden Dehnungsmessstreifen verwendet, die auf das Glas geklebt werden. Da die Werte der Dehnungsmessstreifen unterschiedlich sind, können möglicherweise andere, zuverlässigere Methoden verwendet werden, um zu überprüfen, ob die Dehnungen im Glas gleich sind.

Darüber hinaus werden in diesem Projekt Proben aus ausschließlich getemperten oder ausschließlich vorgespannten Glasröhren getestet. Möglicherweise erweist sich eine Kombination aus geglühten und wärmeverstärkten Rohren als effizienter. Die Experimente zeigten, dass thermisch vorgespannte Glasröhren eine geringere Tragfähigkeit nach der Rissbildung (nach anfänglicher Rissbildung) aufwiesen als die getemperten Glasröhren. Dies kann bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden; Durch den Einsatz von Hart- und Weichgummi können unterschiedliche Lastverteilungen in die Gestaltung der Endverbindungen integriert werden.

Die Autoren danken Fred Schilperoort und Louis den Breejen für die Bedienung der hydraulischen Maschine während der Experimente. Die Autoren danken SCHOTT, HB Fuller Kömmerling, Octatube, Hilti und Techniparts für ihr Materialsponsoring. Unser besonderer Dank gilt Klaas Roelfsma, Dr. Folker Steden, Kerstin Kohl und Katrin Djuric von SCHOTT, Chris Davis, Dr. Wolfgang Wittwer, Dr. Christian Scherer und Jens Wolthaus von HBFuller Kӧmmerling, Peter van de Rotten und Willem Poot von Octatube, Thomas Goedegebuure von Hilti, Frank Muntz von Techniparts. Darüber hinaus danken die Autoren Dr. Fred Veer und Telesilla Bristogianni für ihr wertvolles Feedback.

Achenbach, J., Jung, H.: Konstruktive Elemente aus Glasrohrprofilen in Tragstrukturen – Systementwicklung, Herstellung und Anwendung. GlasKon 2003, S. 29–34. Messe München GmbH, München (2003)Glass & Swinging Structures bv. Dutch Design Week: Ziptruss Light-Struktur (2021). URL: Ziptruss - Glass & Swinging Structures bv | Dutch Design Week (ddw.nl)Eekhout, M.: Rohrstrukturen in der Architektur. Vorträge des 17. Internationalen Symposiums für Rohrstrukturen (ISTS17). Research Publishing, Singapur (2019)Dönitz, F., Jung, H., Behling, S., Achenbach, J.: Verbundglasröhren als Strukturelemente in der Bauindustrie. Glasverarbeitungstage, S. S. 275-278. Tampere (2003)Gravit, M., Klimin, N., Dmitriev, I., Karimova, A., Fedotova, E.: Feuertechnische Eigenschaften von intumeszierendem und ablativem feuerbeständigem Glas. IOP-Konferenzreihe: Materials Science and Engineer 666 012095 (2019).https://doi.org/10.1088/1757-899X/666/1/012095 Haldimann, M., Luible, A., Overend, M.: Structural Engineering Dokument 10: Strukturelle Verwendung von Glas. Zürich, Schweiz: International Association for Bridge and Structural Engineering (2008)Honfi, D., Overend, M.: Glasstrukturen – Lernen von Experten. COST Action TU0905, Halbzeitkonferenz zu Strukturglas (2013). https://doi.org/ 10.1201/b14563-72 Kalamar, R., Bedon, C., Eliášová, M.: Experimentelle Untersuchung zur strukturellen Leistungsbewertung von quadratischen Hohlglassäulen. Ing. Struktur. 113(4), 1-15 (2016). https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.01.028 NEN 2608: Glas im Bauwesen – Anforderungen und Bestimmungsmethode. Nederlands Normalisatie-instituut, Delft (2014)Nijsse, R.: Glas in Strukturen: Elemente, Konzepte, Designs. Birkhauser, Deutschland (2003)Nijsse, R., Ten Brincke, EHJ: Glassäulen. In: Louter, C., Bos, F., Belis, J., Lebet, J. (Hrsg.) Challenging Glass 4 & COST Action TU0905 Final Conference, Lausanne 2014, S. 625–632. Taylor & Francis Group, London (2014)Oikonomopoulou, F., van den Broek, EAM, Bristogianni, T., Veer, FA, & Nijsse, R.: Design und experimentelle Tests der gebündelten Glassäule. Glass Struct Eng 2, 183–200 (2017). https://doi.org/10.1007/s40940-017-0041-x Oikonomopoulou, F.: Enthüllung der dritten Dimension von Glas: Massive Gussglaskomponenten und Baugruppen für strukturelle Anwendungen. (Arzt). Technische Universität Delft, Delft (2019)Overend, M., Vassallo, C., Camillieri, K.: Das Design, die Montage und die Leistung von Glassäulen. 9. Internationale Konferenz über Automobil- und Architekturglas (Glass Processing Days), Tampere, Finnland (2005)SCHOTT. DURAN® (nd). URL: Technische Eigenschaften von DURAN® Glasrohren | SCHOTTVan Nieuwenhuijzen, EJ, Bos, FP, Veer, FA: Die Verbundglassäule. Glass Processing Days, Tampere (2005)Veer, F., Pastunink, JR: Entwicklung einer transparenten röhrenförmigen laminierten Säule. Glasverarbeitungstage, S. 277–280. Tampere (1999)