SB_20602NLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Mechanisches Verhalten
von Silikonklebstoffen in
Abhängigkeit der
Belastungsdauer
(Kurzzeit-, Langzeit- und
Schwingbelastung)

Mechanisches Verhalten von
Silikonklebstoffen in
Abhängigkeit der
Belastungsdauer
(Kurzzeit-, Langzeit- und
Schwingbelastung)
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.602 N
DVS-Nr.: 08.3040
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
RWTH Aachen Lehrstuhl für Stahl- und
Leichtmetallbau
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.602 N / DVS-Nr.: 08.3040 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 528
Bestell-Nr.: 170638
ISBN: 978-3-96870-528-6
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 29.04.2022
zu IGF-Vorhaben Nr. 20602 N
Thema
Mechanisches Verhalten von Silikonklebstoffen in Abhängigkeit der Belastungsdauer (Kurzzeit-,
Langzeit- und Schwingbelastung)
Berichtszeitraum
01.03.2019 bis 30.11.2021
Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren des DVS e.V.
Forschungseinrichtung(en)
[1] Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik (IFS)
[2] RWTH Aachen University, Institut für Stahlbau (STB)

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20602N
5 Inhaltsverzeichnis
1 Förderhinweis ..................................................................................................... 2
2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................ 3
3 Angaben über gewerbliche Schutzrechte ........................................................... 4
4 Kurzzusammenfassung ...................................................................................... 5
5 Inhaltsverzeichnis ............................................................................................... 6
6 Abbildungsverzeichnis ...................................................................................... 10
7 Tabellenverzeichnis .......................................................................................... 19
8 Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................... 22
9 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................................... 25
10 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts .............................................................................................. 30
11 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens
der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen
Beitrages und ihrer industriellen Anwendungsmöglichkeiten ............................ 31
12 Einleitung .......................................................................................................... 34
12.1 Problemstellung und Motivation .................................................................... 34
12.2 Zielsetzung .................................................................................................... 37
13 Stand der Technik ............................................................................................. 38
13.1 Structural Glazing .......................................................................................... 38
13.2 Silikonklebstoffe im konstruktiven Glasbau ................................................... 40
14 Forschungshypothese und methodischer Ansatz ............................................. 43
15 Materialien und Methoden ................................................................................ 45
15.1 Materialauswahl ............................................................................................ 45
15.1.1 Substratwerkstoffe ............................................................................... 45
15.1.2 Klebstoffe ............................................................................................ 45
15.2 Probenfertigung ............................................................................................. 47
15.2.1 Fertigung von Inhomogenitäten: Mischen der Klebstoffe .................... 47
15.2.2 Fertigung von Inhomogenitäten: Hohlräume und Formfehler .............. 50
15.2.3 Substanzproben und Bauteilproben .................................................... 50
15.3 Prüfeinrichtungen und Versuchsaufbauten.................................................... 60
15.3.1 Prüfung des Langzeitverhaltens .......................................................... 60
15.3.2 Prüfeinrichtung für Zug- und Schubversuche (IFS+STB) .................... 62
15.3.3 Prüfeinrichtung für dynamische Versuche (IFS) .................................. 65
15.3.4 Prüfeinrichtung für Bauteilversuche (STB) .......................................... 66
15.3.5 Analytik ................................................................................................ 68
15.3.6 Alterungsprüfungen ............................................................................. 70

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20602N
15.4 Bestimmung von Luft- und Zinnbadseite ....................................................... 73
15.5 Fertigungsbegleitende Qualitätssicherung .................................................... 74
15.5.1 Butterfly-Test ....................................................................................... 74
15.5.2 Glasplattentest .................................................................................... 75
16 Langzeitversuch an Bauteilen aus dem Bauwesen .......................................... 76
16.1 Erfassung des Klebstoffverhaltens eines Brüstungselementes unter
realer Belastung ............................................................................................ 76
16.1.1 Bauteil ................................................................................................. 76
16.1.2 Messtechnik ........................................................................................ 78
16.1.3 Messergebnisse .................................................................................. 80
16.1.4 Fazit .................................................................................................... 83
16.2 Kriechbelastung an baugleichen Brüstungselementen unter
Laborbedingungen ........................................................................................ 84
16.2.1 Messtechnik ........................................................................................ 84
16.2.2 Kalibrierung ......................................................................................... 86
16.2.3 Durchführung des Langzeitversuchs ................................................... 87
16.2.4 Messergebnisse .................................................................................. 87
16.2.5 Temperatureinfluss .............................................................................. 91
16.2.6 Fazit .................................................................................................... 91
16.3 Dynamische Prüfungen an baugleichen Brüstungselementen
(Fortführung Bauteilversuche) ....................................................................... 92
16.3.1 Versuchsstand .................................................................................... 92
16.3.2 Eigenfrequenzmessungen ................................................................... 94
16.3.3 Quasistatische Versuche ..................................................................... 96
16.3.4 Dynamische Versuche ...................................................................... 100
16.3.5 Erholungsmessungen ........................................................................ 105
17 Untersuchung des Einflusses von fertigungsbedingten Inhomogenitäten auf
das Materialverhalten ..................................................................................... 107
17.1 Definition von Inhomogenitäten ................................................................... 107
17.2 Ergebnisse von Kurzzeitversuchen an Substanzproben ............................. 107
17.3 Ergebnisse von Kurzzeitversuchen an Kopfzugproben ............................... 115
17.4 Ergebnisse zu Kurzzeitversuchen an H-Proben .......................................... 117
17.4.1 Vorbemerkung ................................................................................... 117
17.4.2 Allgemeine Übersicht über die erzielten Prüfergebnisse in Zugund
Schubprüfungen ......................................................................... 118
17.4.3 Detaillierte Betrachtung der Prüfergebnisse der Zug- und
Schubprüfungen für DS 993 .............................................................. 122

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20602N
17.4.4 Detaillierte Betrachtung der Prüfergebnisse der Zug- und
Schubprüfungen für Ködiglaze S ....................................................... 132
17.4.5 Detaillierte Betrachtung der Prüfergebnisse der Zug- und
Schubprüfungen für SG-500 ............................................................. 145
17.4.6 Allgemeine Bewertung der Prüfergebnisse der Zug- und
Schubprüfungen ................................................................................ 150
17.5 Ergebnisse zu Alterungsversuchen an H-Proben ........................................ 152
17.5.1 Vorbemerkung ................................................................................... 152
17.5.2 Ergebnis der Alterung von Klebungen mit DS 993 ............................ 154
17.5.3 Ergebnis der Alterung von Klebungen mit Ködiglaze S ..................... 158
17.5.4 Ergebnis der Alterung von Klebungen mit SG-500 ............................ 161
18 Untersuchung des Materialverhaltens unter Berücksichtigung von
dynamischen Lasten und Inhomogenitäten .................................................... 164
18.1 Schwingversuche an Kopfzugproben .......................................................... 164
18.2 Schwingversuche an H-Proben ................................................................... 164
18.2.1 Vorbemerkung ................................................................................... 164
18.2.2 Ergebnisse der Schwingversuche ..................................................... 167
18.3 Thermo-mechanische Kennwerte ................................................................ 178
18.3.1 DSC ................................................................................................... 178
18.3.2 DMTA ................................................................................................ 179
18.3.3 Fazit von DSC- und DMTA-Messungen ............................................ 182
19 Ableiten von Bemessungs- und Konstruktionsregeln ...................................... 183
19.1 Verifikation von Laborversuchen und Realexperimenten ............................ 183
19.2 Qualitätssicherungskonzept ........................................................................ 183
19.3 Vorschlag erweiterter Bemessungskonzepte .............................................. 185
19.3.1 ETAG 002: Globales Sicherheitskonzept .......................................... 185
19.3.2 Eurocode 0 / DIN EN 1990: Teilsicherheitskonzept........................... 187
19.3.3 Teilsicherheitskonzept mit partiellen Abminderungsfaktoren ............. 191
19.3.4 Zeitabhängige Festigkeitsdegradation ............................................... 197
19.3.5 Fazit .................................................................................................. 200
20 Dokumentation ................................................................................................ 201
21 Zusammenfassung & Ausblick ........................................................................ 202
22 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten mit Zuordnung der FE und
der Ergebnisse mit den Zielen des Projektes .................................................. 206
23 Zusammenstellung aller Veröffentlichungen ................................................... 212
24 Danksagung .................................................................................................... 213
25 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 214

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20602N
26 Anhang ........................................................................................................... 218
26.1 Bauteilversuche ........................................................................................... 218
26.1.1 Statisches Ersatzsystem und Lastrichtung für maximale
Zugbelastung des Klebstoffs ............................................................. 218
26.1.2 Versuchsdaten Bauteilversuche im Spannfeld des Instituts für
Stahlbau (STB) .................................................................................. 219

Seite 34 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20602N
12 Einleitung
Im Rahmen der Auslegung von Klebverbindungen von Structural Sealant
Glazing-Systemen werden die vorgeschriebenen Bemessungsspannungen
durch globale Sicherheitsfaktoren stark abgemindert, wodurch die gesamte
Bemessung sehr konservativ gestaltet ist. Die sich daraus ergebene Problemstellung
wird erläutert und die Zielsetzung definiert.
12.1 Problemstellung und Motivation
Lastabtragende Klebverbindungen gewinnen im Bauwesen immer mehr an Bedeutung.
Im Bereich des Structural Glazings werden hierzu bereits seit den 60er-Jahren des
letzten Jahrhunderts mit Silikonklebstoffen ausgeführte Verbindungen als ingenieurmäßige
Lösungen verwendet, um den hohen Ansprüchen der Planer und Bauherren zu
entsprechen [1,2]. Seit der Einführung der Richtlinie zur Erlangung von Zulassungen
für Structural Glazing Systeme (ETAG 002) [3] in Deutschland 1999 stieg die Verwendung
von lastabtragend geklebten Konstruktionen in Deutschland exponentiell an. Abbildung
12-1 zeigt als aktuelleres Beispiel die geklebte Ganzglasecke des Bauvorhabens
Alea 101 in Berlin, das 2014 fertiggestellt wurde.
Abbildung 12-1: Bauvorhaben „Alea 101“ in Berlin mit Ganzglasecke lastabtragend geklebt. Fertigstellung
2014. [Bild: Verrotec GmbH]
Die Verwendung von Structural Glazing bietet neben den Vorteilen des Baustoffes Glas
(z.B. sehr hohe Transparenz) die Möglichkeit, durch den Einsatz von Silikonklebstoffen
die Nachteile der herkömmlichen Verbindungsmittel (äußere Sichtbarkeit, Spannungsspitzen
aufgrund lokaler Lasteinleitung) zu umgehen [8]. Eine besondere Anforderung
an den Planer, der klassischer Weise in einem KMU tätig ist, stellt die Einhaltung der
bautechnischen Regeln und Vorschriften seitens der Bauämter dar. Jede lastabtragend
geklebte Verbindung benötigt in Deutschland einen Verwendbarkeitsnachweis (aBG,
vBG) [4-7], in welcher die Klebung in der Regel auf Basis der ETAG 002 [3] geregelt
wird. Im Rahmen der Auslegung der Klebung werden die vorgeschriebenen Bemessungsspannungen
durch globale Sicherheitsfaktoren (6 für kurzzeitige Belastung und
zusätzlich 10 für Langzeitbelastung) stark abgemindert, wodurch die gesamte Bemes-

Seite 35 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20602N
sung sehr konservativ gestaltet ist. Dadurch sind die Anwendungen stark eingeschränkt
und es gibt ein großes Potential zur Steigerung der übertragbaren Lasten. Es
handelt sich bei den genannten Sicherheitsfaktoren eigentlich um methodische Faktoren,
da sie nicht konkret das Risiko bewerten, sondern sich aufgrund der Methodik der
Parametererhebung ergeben. Bei der Erstellung der Richtlinie [3] wurden diese Faktoren
hoch festgelegt, um alle Einflüsse aus z.B. verschiedenen Belastungsdauern, Inhomogenitäten
sowie Fertigungstoleranzen und deren Einfluss auf das mechanische
Verhalten abzudecken. Bislang fehlt jedoch eine genaue Ableitung der Faktoren. Weiterhin
ist es nicht systematisch belegt, wie viel Sicherheit tatsächlich in der Bemessung
vorliegt. Dies führt auf der einen Seite zu möglichen kostenintensiven Überdimensionierungen
und begrenzt gleichzeitig die Designfreiheit. Auf der anderen Seite werden
hierdurch Inhomogenitäten oder nicht genau bestimmbare komplexe mechanische Einflüsse
leichter „toleriert“, da diese mit dem Methodenfaktor abgedeckt sind.
Neben den Vorbehalten hinsichtlich der Dauerhaftigkeit und der Beständigkeit strukturell
geklebter Verbindungen ist vor allem das fehlende Verständnis der einzelnen Einflüsse
auf das Tragverhalten und die damit einhergehenden aufzuschlagenden Sicherheiten
eine grundlegend offene Fragestellung.
Um die Komplexität der Thematik darzulegen, ist in Abbildung 12-2 das für den Bauingenieur
bekannte Drei-Säulenprinzip aus der Stahlbaunormung auf Klebverbindungen
übertragen worden. Dort ist der Zusammenhang von Produkten, Entwurf und Bemessung
mit der Ausführung und Verarbeitung und die Abhängigkeiten und Einflüsse der
einzelnen Themen auf den innerhalb der Bemessung zu führenden Nachweis dargestellt.
Außerdem wird die Relevanz der Dauerhaftigkeit in diesem Kontext deutlich.
Abbildung 12-2: Auslegung von Klebverbindungen im Bauwesen unter Berücksichtigung der Dauerhaftigkeit
und entlang des Drei-Säulenprinzips, entsprechend der Stahlbaunormung: Produkt, Bemessung
und Ausführung [10].

Seite 36 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20602N
Wie Praxiserfahrungen z.B. bei Zustimmungen im Einzelfall gezeigt haben, liegt ein
großes Potential in der Verringerung der Sicherheitsniveaus. Ein Beispiel dafür ist das
höchste Gebäude der Welt, der Burj Khalifa. Dort wurden Teile der Fassade mit Structural
Glazing ausgeführt, wo entgegen der in europäischen Vorgaben definierten maximalen
Windbelastungen (diese liegen zwischen 2,6 und 3 kPa) sogar bis 7 kPa zugelassen
wurden [11]. Dieses Beispiel zeigt, dass die Klebstoffhersteller um die Potentiale
ihrer Klebstoffe wissen und diesen unter bestimmten Voraussetzungen und Randbedingungen
auch deutlich höhere Belastungen zutrauen. Dabei sind die definierten
Randbedingungen und eine hochwertige Ausführung der Klebung Grundvoraussetzung
für die Herabsetzung von Sicherheiten, da es ansonsten zu Schadensfällen und
Gefährdungen kommen kann. Diese speziellen Kennwerte und betriebsinternen Untersuchungen
sind naturgemäß meist nicht öffentlich zugänglich, sodass dieses Forschungsprojekt
einen vorwettbewerblichen Beitrag zum Verständnis des mechanischen
Verhaltens von Silikonklebstoffen geleistet hat. Das mechanische Verhalten von
Silikonklebstoffen in Abhängigkeit der Belastungsdauer und den Einfluss von Inhomogenitäten
zu kennen ist bei einer geplanten Mindestlebensdauer von 25 Jahren sowie
der sich daraus ergebenden Vielzahl an mechanischen äußeren Einflüssen (z.B. aus
einer Vielzahl von Lastzyklen) von geklebten Bauteilen von besonderer Relevanz.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bislang eine systematische Betrachtung der
Veränderung des komplexen Tragverhaltens (u. A. temperatur-, dehnraten-, belastungszustands-,
fertigungs- und geometrieabhängig) der Silikone in Abhängigkeit der
Belastungsdauer und der etwaigen Überlagerung mit fertigungsbedingten Inhomogenitäten
fehlte. Das hier dokumentierte Forschungsprojekt leistet einen Beitrag zur
Schließung dieser Lücke.
Im Zuge der Einführung der Bauprodukte-Verordnung hat die EOTA die Überführung
von Leitlinien für die Europäische Technische Zulassung (ETAG) in Europäische Bewertungsdokumente
(EAD, European Assessment Document) beschlossen, auf deren
Basis Europäische Technische Bewertungen (ETA) erwirkt werden können. Die EAD
für Bonded Glazing Kits and Bonding Sealants [12] ist der überführte Nachfolger der
ETAG 002. Zwar kann nach wie vor die ETAG 002 als Bewertungsgrundlage verwendet
werden, die EOTA macht jedoch auf die entsprechende EAD als Nachfolgedokument
aufmerksam. Die Anforderungen an die technischen Produkteigenschaften sind
identisch. Jedoch ist das vormalige globale Bemessungskonzept der ETAG 002 in der
überführten EAD nicht mehr vorhanden.
Im durchgeführten Projekt wurden daher die Veränderungen des mechanischen Verhaltens
bzw. entsprechender zur Bemessung notwendiger Kennwerte von Silikonklebstoffen
in Abhängigkeit von der Belastungsdauer (Kurzzeit, Langzeit- und Schwingbelastung)
mit Fokus auf eine Schwingbelastung und fertigungsbedingter Inhomogenitäten
an Kleinteilproben untersucht. Darauf aufbauend wurde die Überlagerung und damit
die Wertigkeit dieser beiden Einflüsse zueinander erforscht. Die chemische Alterung
sollte laut Projektantrag nicht berücksichtigt werden; aufgrund des Wunsches des
PA erfolgten jedoch mehrere Alterungsprüfungen. Für eine praxisnahe Übertragung
der Ergebnisse aus den Laborversuchen auf konkrete Anwendungsfälle wurden während
der Projektlaufzeit zum einen geklebte Brüstungselemente bei einem PA-Mitglied