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Kleben am Bau, Tragwerk, intelligent, innovativ, Holzbau, Glas, Verbundwerkstoffe, Architektur, hybrid, multifuntional
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Till Vallée
7 Thesen zum Kleben am Bau
2Einleitung
Industrie interessiert
Tragfähiger
Steifer
Verbindung verschiedener Werkstoffe
Allerdings noch viele Fragen
Langzeitverhalten
Dauerhaftigkeit
Berechenbarkeit
3Einleitung
Es herrscht Einigkeit darüber dass die Klebtechnik
Dem Bauwesen neue Möglichkeiten öffnet
Verschiedene Werkstoffe materialgerecht verbunden werden können
Eine sinnvolle und rationelle Verbindungstechnik im Bau ist
Allerdings hat es das Kleben im Bau (noch) sehr schwer
Es wird vom kaum einer Norm beschrieben
Ist keinem Werkstoff zugewiesen
In Teilgebieten liegen noch Missverständnisse vor
4Thema
Das Kleben als Fügeverfahren ist nicht aus dem traditionellen Bauingenieurwesen entstanden
Wissen und die Erfahrungen sind im Wesentlichen von Chemikern generiert worden
Aus dieser Dichotomie heraus ist im Laufe der Jahrzehnte eine Reihe von Missverständnissen entstanden
Basierend auf Erfahrungen im Bereich Kleben am Bau werden 7 Themen diskutiert, die immer widerkehrende Fragestellungen aufgreifen
Auswahl persönlicher Erfahrungen
Kein Anspruch auf Vollständigkeit oder Pertinenz
51. Raus aus der Substitutionsphase
Neue Werkstoffe und Techniken werden zuerst in alten konstruktiven Typologien „missbraucht“
Es fehlt die Erfahrung mit dem Werkstoff oder der Technik
Allein die Leistung „verbessert“ die Situation
Der Werkstoff oder die Technik wird suboptimal eingesetzt
Jeder Werkstoff hat diese Material-substitutionsphase durchlaufen!
Gusseisen, Stahl, Beton, GFK…
61. Raus aus der Substitutionsphase
Im Bauwesen steckt das Kleben noch mitten in der Substitutions-phase
„Ersatz“ für mechanische Verbindungen gedacht
Auch wenn eine „bessere“ Leistung erzielt wird, bleiben Klebverbindungen unterhalb ihres Potentials
Geklebte Tragwerke haben ihre spezifische strukturelle Logik
Geklebte Tragwerke müssen die Stärken der Anschlüsse ausnutzen
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71. Raus aus der Substitutionsphase
82. Beim Entwurf an die Fertigung denken
Klebverbindungen bedürfen einer besonderen Sorgfalt
Gewährleistung von sauberen und zugänglichen Oberflächen
Klebstoff (meistens) flüssig aufgetragen
zur Erreichung der Handfestigkeit gehalten werden
härtet relativ langsam und unter kontrollierten Bedingungen aus etc.
92. Beim Entwurf an die Fertigung denken
Eine durchdachte konstruktive Auslegung nimmt Probleme bei der Fertigung vorweg
Werden diese nicht von Anfang an mit in den Entwurf einbezogen, kann dies viele Vorteile wieder zunichte machen
102. Beim Entwurf an die Fertigung denken
Konstruktive Maßnahmen
Klebefugen beim Entwurf möglichst zugänglich machen
Dabei an Dauerhaftigkeit denken
Klebstoffauftrag bedenken
Inklusive von Methoden zur einfachen Qualitätssicherung
112. Beim Entwurf an die Fertigung denken
123. Geklebte Anschlüsse sind berechenbar
Skepsis gegenüber Bemessungsverfahren
Die größte Hürde in den Köpfen der Praktiker, weil entsprechende Berechnungsverfahren nicht „werkstoffgebunden“ sind
Schrauben → Stahlbaunorm
Dübel → Holzbaunorm
Kleben → keine Norm zuständig?
Dabei: eine ganze Reihe von Verfahren zur Auslegung geklebter Verbindungen
133. Geklebte Anschlüsse sind berechenbar
Zahlreiche Beispiele belegen dass die Tragfähigkeit geklebter Anschlüsse im Bau berechenbar ist
GFK-GFK, GFK-Metall, Metall-Holz, Holz-Beton, etc.
Bemessung von Anschlüssen
Bemessung ganzer Strukturen
Bemessung möglich auf Grundlage objektiver Materialkennwerte
Inklusive der Streuung
EuroCode kompatibel
Joint type FEXP (kN) FFEA (kN)
DLJ-A 135.7 123.6
DLJ-B 61.6 63.5
DLJ-C 142.3 130.3
TLJ-A 83.3 87.5
TLJ-B 44.6 42.7
TLJ-C 86.4 91.2
8.9%
-3.1%8.4%-5.0%4.3%-5.6%
VALLÉE, T., TANNERT, T., MEENA, R., HEHL, S.; DIMENSIONING METHOD FOR BOLTED, ADHESIVELY BONDED, AND HYBRID JOINTS INVOLVING FIBRE-REINFORCED-POLYMERS; (2013) COMPOSITES PART B: ENGINEERING, 46, PP. 179-187.
143. Geklebte Anschlüsse sind berechenbar
Auch unter Temperatur
Auch hinsichtlich Defekte
JP FIRMO, D PITTA, JR CORREIA, M ARRUDA, T VALLÉE, H CRUZ; EFFECT OF ELEVATED TEMPERATURE ON THE BOND BEHAVIOR OF CFRP-CONCRETE INTERFACES; INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADHESIVE BONDING 2013, JULY 4-5 2013, PORTO, PORTUGAL.
S FECHT, T VALLÉE, C GRUNWALD, T. TANNERT; ADHESIVELY BONDED HARDWOOD JOINTS UNDER NORMAL AND ELEVATED TEMPERATURES; INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADHESIVE BONDING 2013, JULY 4-5 2013, PORTO, PORTUGAL.
…
TILL VALLÉE, SIMON FECHT, HOLGER FRICKE, THOMAS TANNERT ; ADHESIVELY BONDED TIMBER JOINTS — TO WHICH EXTENT DO DEFECTS MATTER? ; WCTE2014.
TANNERT T, MÜLLER A AND VALLÉE T (2011) ASSESSMENT OF GLULAM STRUCTURES USING SHEAR CORE SAMPLES. INTERNATIONAL CONFERENCE ON STRUCTURAL HEALTH ASSESSMENT OF TIMBER STRUCTURES, JUNE 16-17, LISBON, PORTUGAL.
…
154. Es ist eine Frage des Maßstabes
Der Zugscherversuch hat sich als Metrik zur Qualifizierung von Klebstoffen und Klebverbindungen etabliert
Insbesondere die „Zugscherfestigkeit“ ist nicht ohne weiteres auf andere Situationen übertragbar
164. Es ist eine Frage des Maßstabes
Zum einem ist der Spannungszustand im Anschluss sehr stark von der Geometrie, vom System, von den Werkstoffen etc. abhängig…
174. Es ist eine Frage des Maßstabes
…und zum anderen besteht kein „direkter“ Zusammenhang zwischen Spannungen, Widerständen und Tragfähigkeit
184. Es ist eine Frage des Maßstabes
194. Es ist eine Frage des Maßstabes
Mehr zu dieser Thematik
204. Es ist eine Frage des Maßstabes
BucheEpoxy, 1mmL=160mm
Kriechen
Kriechen Klebstoff ≠ Kriechen Anschluss
Kann rechnerisch erfasst werden
Kriechen im Bau kein Problem
1s1d
1m
1y
ThermoanalytikEpoxy
215. Kleben ermöglicht hybride Tragwerke
Ein Wesentlicher Vorteil des Klebens als Fügeverfahren besteht darin verschiedenste Werkstoffe miteinander zu verbinden
Dies sollte viel Konsequenter bei der Auslegung von Trag- und Bauwerken bedacht werden, weil
Kleben in diesem Kontext fast immer das einzige Mittel ist Werkstoffe optimal auszunutzen
225. Kleben ermöglicht hybride Tragwerke
Höhere Steifigkeit und Tragfähigkeit
Holz-Beton-Verbunddecken
Stahl-GFK Brückensysteme
GFK-Ultraleichtbeton-Decken
Holz-Glas
Aber auch
Hybride Querschnitte aus „ähnlichen Werkstoffen“
Hybride Anschlüsse, z.B. Kleben und Schrauben
235. Kleben ermöglicht hybride Tragwerke
Alle Lasten sind berechenbar, auch Temperatur, auch Kriechen…
Spannungen und Dehnungen aus Temperatur, Kriechen, Feuchtigkeit etc. sind auch nur… Spannungen und Dehnungen, sie sind nicht destruktiver
Verschiedenen Temperaturausdehnungen heißt nicht zwangläufig dass es ein weicher Klebstoff sein muss
Nicht immer reflexartig reagieren: Glas muss nicht immer mit Silikon verklebt werden
246. Kleben ermöglicht Multifunktionalität
T VALLÉE, S FECHT, T TANNERT, JR CORREIA; TOWARDS ADHESIVELY BONDED MULTIFUNCTIONAL STRUCTURES IN CIVIL ENGINEERING; INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADHESIVE BONDING 2013, JULY 4-5 2013, PORTO, PORTUGAL.
TILL VALLÉE, CORDULA GRUNWALD, TOWARDS HYBRID AND MULTIFUNCTIONAL BONDED STRUCTURES FOR CIVIL ENGINEERING, 5. INNOVATION DAY CIVIL ENGINEERING, 27.-28. SEPTEMBER 2012, CFK-VALLEY STADE, GERMANY.
KELLER, T., SCHAUMANN, E., VALLÉE, T.; FLEXURAL BEHAVIOR OF A HYBRID FRP AND LIGHTWEIGHT CONCRETE SANDWICH BRIDGE DECK; (2007) COMPOSITES PART A: APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING, 38 (3), PP. 879-889.
E. SCHAUMANN, T. VALLÉE AND T. KELLER, DIRECT LOAD TRANSFER IN HYBRID FRP-CONCRETE SANDWICH STRUCTURE FOR BRIDGE DECKS, PROCEEDINGS OF THE CICE2008, ZURICH/SWITZERLAND, 2008.
Nicht nur statische Synergien nutzen
architektonische und funktionale Redundanzen vermeiden,
Kleben somit nicht „nur als Ersatz“ für mechanische Verbindungen sehen
Klebstoffe sind hier prädestiniert
Fügen einer Vielzahl von Werkstoffen
Klebstoff viele Funktionen (kann): fügen, dichten, Elektrizität leiten etc.
256. Kleben ermöglicht Multifunktionalität
KELLER, T., SCHAUMANN, E., VALLÉE, T.; FLEXURAL BEHAVIOR OF A HYBRID FRP AND LIGHTWEIGHT CONCRETE SANDWICH BRIDGE DECK; (2007) COMPOSITES PART A: APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING, 38 (3), PP. 879-889.
KLEBEN
267. Tg ist nicht das Ende
Wesentliche Vorbehalte beruhen auf dem Verhalten von Klebstoffen bei erhöhten Temperaturen.
Klebstoffe werden in Bezug auf Temperatur über die DMA charakterisiert
Es wird oft fälschlicherweise daraus geschlossen dass dies auch für die Festigkeit gilt
Verschiedene Studien dass die Tragfähigkeit bei weitem nicht so dramatisch abfällt wie es die DMA suggeriert
Auch hier beruht ein Missverständnis
Das Verhalten geklebter Anschlüsse wird einzig am Verhalten des Klebstoffs festgemacht
277. Tg ist nicht das Ende
TANNERT, T., VALLÉE, T. AND HEHL, S.; TEMPERATURE DEPENDENT STRENGTH OF GLUED TIMBER JOINTS, INTERNATIONAL CONFERENCE ON WOOD ADHESIVES, SOUTH LAKE TAHOE, NEVADA/USA, SEPT. 2009.
Bei geklebten Anschlüssen im Holzbau
Kein direkter Zusammenhang zwischen Tg und Tragfähigkeit des Anschlusses
287. Tg ist nicht das Ende
Bei geklebten Anschlüssen mit Buchenholz
Kein direkter Zusammenhang zwischen Tg und Tragfähigkeit des Anschlusses
Werden alle Komponenten des Anschlusses unter Temperatur charakterisiert ist es möglich die Traglast rechnerisch vorherzubestimmen
297. Tg ist nicht das Ende
Es ist möglich über Tg hinaus zu „rechnen“
Für (fast) alle relevanten Parameter gibt es mittlerweile abgesicherte Modelle, inkl. entsprechender analytischer Ausdrücke
Mit Hilfe derer es ohne weiteres möglichingenieursmäßige Abschätzungen zu tätigen
Mit Hilfe der FEM kann (fast)jedes Problem behandeltwerden
BAI, Y., VALLÉE, T., KELLER, T.; MODELING OF THERMAL RESPONSES FOR FRP COMPOSITES UNDER ELEVATED AND HIGH TEMPERATURES: (2008) COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY, 68 (1), PP. 47-56. CITED 15 TIMES.BAI, Y., VALLÉE, T., KELLER, T.; MODELING OF THERMO-PHYSICAL PROPERTIES FOR FRP COMPOSITES UNDER ELEVATED AND HIGH TEMPERATURE; (2007) COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY, 67 (15-16), PP. 3098-3109. CITED 19 TIMES.BAI, Y., KELLER, T., VALLÉE, T.; MODELING OF STIFFNESS OF FRP COMPOSITES UNDER ELEVATED AND HIGH TEMPERATURES; (2008) COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY, 68 (15-16), PP. 3099-3106. CITED 26 TIMES.
30Zusammenfassung
Das Tragverhalten geklebter Anschlüsse muss rational erfasst werden
Geklebte Strukturen müssen klebgerecht entworfen werden
Klebgerechte Auslegung muss die Herstellung explizit berücksichtigen
Modelle und Nachweise auf der Ebene der Werkstoffe führen
Spannungen und Dehnungen aus Temperatur, Kriechen, Härtungsschrumpf etc.
… sind keine besonderen Spannungen und Dehnungen
… lassen sich genauso berechnen wie bei mechanischer Belastung
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