Mechanisches Verhalten von Verbundglas unter zeitabhängiger Belastung und Explosionsbeanspruchung: Mechanical behaviour of laminated glass under time-dependent and explosion loading

265 Pages·2015·10.6 MB·German

by  Johannes K. Kuntsche (auth.)

Mechanik, Werkstoff e und Konstruktion
im Bauwesen
Band 46
Institutsreihe zu Fortschritten bei Mechanik, Werkstoff en, Konstruktionen, Gebäudehül-
len und Tragwerken.
Johannes K. Kuntsche
Mechanisches Verhalten
von Verbundglas unter zeit-
abhängiger Belastung und
Explosionsbeanspruchung
Mechanical behaviour of laminated
glass under time-dependent
and explosion loading
Johannes K. Kuntsche
Institut für Statik und Konstruktion
Technische Universität Darmstadt
Deutschland

Vom Fachbereich 13 – Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
der Technischen Universität Darmstadt

zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation von

Dipl.-Ing. Johannes K. Kuntsche

aus Köln

1. Gutachten: Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider
2. Gutachten: Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Kolling
Tag der Einreichung: 15. Juni 2015
Tag der mündlichen Prüfung: 28. August 2015
Darmstadt 2015
D17

Mechanik, Werkstoffe und Konstruktion im Bauwesen
ISBN 978-3-662-48830-0 ISBN 978-3-662-48831-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-48831-7
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Danksagung
Einen ganz herzlichen Dank möchte ich allen Personen aussprechen, die mich bei der
Erstellung der vorliegenden Arbeit unterstützt und begleitet haben. Die Zeit als wissen-
schaftlicher Mitarbeiter am Institut für Statik und Konstruktion der Technischen Univer-
sität Darmstadt war für mich rückblickend ein besonderer und sehr positiver Lebensab-
schnitt.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider dankeich für die großartigeMöglichkeit, an sei-
nemLehrstuhlzupromovieren.IchhabedorteinsehrangenehmesUmfeldmiteineraus-
geglichenenAtmosphärevorgefunden,welcheeinselbständigesArbeitenbeigleichzeiti-
gerfachlicherUnterstützungermöglichte.HerrnProf.Dr.-Ing.habil.StefanKollingdanke
ich für die Übernahme des Korreferats und die äußerst interessanten und motivierenden
Diskussionen.
FürweiterefachlicheundauchmentaleUnterstützungbedankeichmichbeiallenKol-
legen am Institut – sowohl bei den mittlerweile Ehemaligen als auch bei der aktuellen
zweiten Generation. Insbesondere möchte ich Johannes Franz und Stephan Buddenberg
für die unzähligen Gespräche danken, die wir in Bezug auf unsere sich fachlich ergän-
zendenThemengeführthaben.EingroßerDankgiltauchdenStudierenden,diemichim
RahmenvonStudienarbeitenbeimeinerForschungsarbeitunterstützthaben.
MeinerFamilie,insbesonderemeinerFrauInadankeichfürdieuneingeschränkteUn-
terstützungundMotivationindiesergesamtenZeit.
Darmstadt,imSeptember2015 JohannesK.Kuntsche
Kurzfassung
Das mechanische Verhalten von Verbundglas ist unter anderem abhängig vom zeitlichen
VerlaufderBelastungundindieserHinsichtnochnichthinreichenderforscht.Indervor-
liegenden Arbeit wurden unterschiedliche Aspekte des Tragverhaltens von Verbundglas
unter zeitabhängiger Belastung und insbesondere unter Explosionsbeanspruchung unter-
sucht.DabeiwurdensowohlderWerkstoffGlasalsauchverschiedeneZwischenschicht-
materialiensowiedasZusammenwirkenbeiderKomponentenbetrachtet.
Die Festigkeit von Glas ist aufgrund des subkritischen Risswachstums von der Be-
lastungsdauerabhängig.AnhandvonexperimentellenundtheoretischenUntersuchungen
wurdenFestigkeitswertefürkurzzeitigedynamischeBeanspruchungenermittelt.Eswurde
einedeutlicheSteigerungderFestigkeitgegenüberquasistatischerBelastungfestgestellt.
An den Zwischenschichten wurden Dynamisch-Mechanisch-Thermische Analysen
durchgeführt,umdieSteifigkeitimBereichkleinerVerzerrungeninAbhängigkeitvonBe-
lastungsdauerundTemperaturzuuntersuchen.FürdieanschließendeParameteridentifika-
tion der verwendeten Materialmodelle wurde ein Optimierungsverfahren entwickelt. Die
Ergebnisse wurden anhand von Kriechversuchen am Verbundglas validiert. Damit kann
dessenmechanischesVerhaltenbiszumZeitpunktdesGlasbruchsvollständigbeschrieben
werden.
DurchexperimentelleUntersuchungenimStoßrohrundderennumerischerSimulation
wurde gezeigt, dass im Lastfall Explosion eine linear-elastische Beschreibung der Zwi-
schenschichtausreichendist,solangedasGlasnichtbricht.
NachdemGlasbruchändertsichdasTragverhalten:DieZwischenschichterfährtgroße
Dehnungen und löst sich lokal vom Glas ab. Anhand von uniaxialen Zugversuchen mit
unterschiedlichenBelastungsratenwurdedasmechanischeVerhaltenverschiedenerZwi-
schenschichten bis hin zu großen Dehnungen untersucht und bewertet. Der Einfluss von
SteifigkeitundHaftungaufdasNachbruchverhaltenimLastfallExplosionwurdeexperi-
mentell anhand von Kleinbauteil- und Stoßrohrversuchen aufgezeigt. Demnach soll eine
optimierteZwischenschichteinegeringeHaftung,einegeringeSteifigkeitundeinehohe
Bruchdehnung aufweisen. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit numerischen Si-
mulationen,welcheauchdasNachbruchverhaltenerfassen,verglichen.
Abstract
The mechanical behaviour of laminated glass depends, inter alia, on the time history of
the applied load. As this relation has not been sufficiently investigated yet, the present
workdiscussesdifferentaspectsofthestructuralbehaviouroflaminatedglassundertime-
dependent loading and particularly under explosion loading. In this context, the material
glassanddifferentinterlayermaterialsaswellastheinteractionofbothcomponentswere
investigated.
The strength of glass depends on load duration due to the subcritical crack growth.
Onthebasisofexperimentalandtheoreticalinvestigations,strengthvaluesforshort-term
dynamicloadsweredetermined.Comparedtoquasi-staticloading,asignificantincrease
ofthestrengthwasascertained.
Dynamic Mechanical Thermal Analyses were performed on the interlayers to inves-
tigate the effect of load duration and temperature on the stiffness at small strains. Sub-
sequently, an optimization method was developed to identify parameters for the applied
materialmodels.Theresultswerevalidatedbycreeptestsonlaminatedglassspecimens.
Thus,themechanicalbehaviouroflaminatedglasscanbefullydescribeduntilglassbrea-
kageoccurs.
Under explosion loading, a linear elastic modelling of the interlayer is sufficient as
longastheglassisunbroken.Thiswasshownbyexperimentalstudiesinashocktubeand
associatednumericalsimulations.
After glass breakage occurs, the structural behaviour changes: The interlayer suffers
largestrainsanddelaminateslocallyfromtheglass.Onthebasisofuniaxialtensiletests
at different loading rates, the mechanical behaviour of different interlayers was investi-
gated up to large strains. The influence of stiffness and adhesion on the post-breakage
behaviourunderexplosionloadingwasdemonstratedexperimentallyinsmall-scaleexpe-
riments and shock tube tests. Accordingly, an optimized interlayer should have low ad-
hesion, low stiffness and high failure strain. The experimental results were compared to
numericalsimulations,whichalsocapturethepost-breakagebehaviour.
Résumé
Lecomportementmécaniqueduverrefeuilletédépendentreautredel’évolutiontemporel
duchargementetn’apasencoreétésuffisammentétudiéàcetégard.Dansleprésenttra-
vail,différentsaspectsducomportementstructurelduverrefeuilletésoumisàdescharges
dépendantes du temps et surtout des contraintes explosives ont été examinés en prenant
compte des propriétés mécaniques du verre et de l’intercalaire, ainsi que de l’interaction
entrecesmatériaux.
Dûàlafissurationsous-critique,larésistanceduverredépenddeladuréeducharge-
ment.Surlabasederecherchesexpérimentalesetthéoriques,desvaleursderésistanceont
étédéterminéespourdeschargesdynamiquesàcourtedurée.Uneaugmentationsignifica-
tivedelarésistanceparrapportàunechargequasi-statiqueaétéconstatée.
Des analyses mécaniques dynamiques thermiques ont été effectuées sur des films in-
tercalairesafind’examinerl’influencedeladuréedechargementetdelatempératuresur
larigiditépourdesfaiblesdéformations.Pourl’identificationdesparamètresdumatériau,
un procédé d’optimisation a été développé. Les résultats ont été validés par des tests de
fluagesurduverrefeuilleté.Cecipermetdedécrirelecomportementmécaniqueduverre
feuilletéjusqu’àlaruptureduverre.
Ilaétémontrépardesétudesexpérimentalesdansletubeàchocetparleursimulati-
on numérique, que pour le cas de charge explosion, une description linéaire élastique de
l‘intercalaireestsuffisantejusqu‘àlaruptureduverre.
Aprèslaruptureduverre,lecomportementstructurelchange:L‘intercalairesubitune
grandedéformationetseséparelocalementduverre.Surbasedesessaisdetractionuni-
axialesousdifférentsvitessesdechargement,lecomportementmécaniquedesintercalai-
resaétéétudiéepourdesgrandesdéformations.L’influencedelarigiditéetdel’adhésion
au comportement après rupture sous le cas de charge explosion a été démontrée expéri-
mentalement en utilisant des tests de tube à choc et des essais sur petits composants. En
conséquence, un intercalaire optimisé devrait avoir une adhérence et rigidité faible et un
allongement à la rupture élevé. Les résultats des études expérimentaux ont été comparés
avecdessimulationsnumériquesquicapturentaussilecomportementaprèsrupture.
Inhaltsverzeichnis
AbkürzungenundFormelzeichen xvii
1 Einleitung 1
1.1 Motivation....................................................................... 1
1.2 Zielsetzung...................................................................... 3
1.3 AktuellerStandderForschung................................................. 5
1.4 InhaltundGliederungderArbeit............................................... 9
2 Grundlagen 13
2.1 Einwirkungen ................................................................... 13
2.1.1 Allgemeines............................................................ 13
2.1.2 LastfallExplosion...................................................... 14
2.2 WerkstoffGlas .................................................................. 20
2.2.1 Allgemeines............................................................ 20
2.2.2 FestigkeitvonGlas..................................................... 21
2.2.3 Glasprodukte ........................................................... 32
2.3 KunststoffeundderenmechanischesVerhalten............................... 34
2.3.1 Allgemeines............................................................ 34
2.3.2 GrundlegendesmechanischesVerhalten.............................. 35
2.3.3 KlassifizierungvonPolymeren........................................ 37
2.3.4 Hyperelastizität......................................................... 41
2.3.5 Viskoelastizität......................................................... 48
2.3.6 Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip ............................... 54
2.3.7 Prüfmethoden .......................................................... 56
2.4 Verbundglas ..................................................................... 64
2.4.1 Allgemeines............................................................ 64
2.4.2 ZwischenschichtenausPolyvinylbutyral(PVB) ..................... 67
2.4.3 ZwischenschichtenausEthylenvinylacetat(EVA) ................... 72
2.4.4 ZwischenschichtenausIonoplast...................................... 76
2.4.5 ZwischenschichtenausthermoplastischemPolyurethan(TPU)..... 79
2.4.6 ZwischenschichtenausGießharz...................................... 81
2.4.7 ZwischenschichtenausWasserglas ................................... 81
2.4.8 Prüfmethoden .......................................................... 82