Dazwischen: Eine Zwischenschichtmaterialstudie für ineinandergreifende Gussglasblöcke

Datum: 29. August 2022

Ineinandergreifende Gussglasbaugruppen sind eine vielversprechende Lösung für architektonische Gussglasanwendungen, die auf eine hohe Transparenz und eine reversible Struktur abzielen, die die Wiederverwendung der Glaskomponenten ermöglicht (Oikonomopoulou et al., 2018; Oikonomopoulou, 2019b). In einem solchen System ist ein Zwischenschichtmaterial zwischen den Glaselementen unerlässlich, um die homogene Spannungsverteilung zu unterstützen und die Oberflächenmikrounebenheiten der Glaselemente auszugleichen. Im Hinblick auf die Zirkularität sollte dieses Material trocken (und nicht klebend) sein, um eine eventuelle Demontage des Systems zu ermöglichen. Frühere experimentelle Arbeiten von (Aurik et al., 2018; Oikonomopoulou et al., 2019b) konzentrierten sich auf die Verwendung von PU- und PVC-Zwischenschichten als geeignete Kandidaten; Der Schwerpunkt dieser Studien lag ausschließlich auf der mechanischen Leistung des Zwischenschichtmaterials.

Diese Untersuchung bietet einen Überblick über potenzielle Materialkandidaten, die für Zwischenschichten einer ineinandergreifenden Gussglasbaugruppe geeignet sind, basierend auf einer Reihe überarbeiteter Design- und Leistungskriterien, die in primäre und sekundäre unterteilt sind. Darüber hinaus wird untersucht, welchen Einfluss ihre einzigartigen Materialeigenschaften auf die mögliche Anwendung des Verbundsystems haben. Der gesamte Prozess, von der Herstellung bis zum Bau der gesamten Baugruppe, wird basierend auf einem angenommenen Gebäudeszenario in einer Kettenreaktion dargestellt, deren Ausgangspunkt die Zwischenschicht selbst ist.

Nachdem die Designkriterien definiert wurden, denen die Zwischenschicht entsprechen sollte, sind die vorgeschlagenen Kandidaten: PETG-Platten (Vivak®), Neopren, Aluminium, laminiertes Polyurethan (PU) und eine Weichkern-Aluminiumzwischenschicht. Berücksichtigt werden die einzigartigen Eigenschaften und Herstellungsherausforderungen aller fünf vorgeschlagenen Zwischenschichten sowie ihre Eigenschaften in Bezug auf den Zusammenbau, was zur Entwicklung zweier unterschiedlicher Zusammenbausequenzen führt. Der Hauptunterschied betrifft die Zwischenschichten, bei denen die Gefahr des Kriechens besteht, und diejenigen, bei denen dies nicht der Fall ist. Die Untersuchung endet mit einem Vergleich zwischen der ineinandergreifenden Baugruppe und den anderen derzeit verwendeten Glasbausteinbaugruppen.

Die architektonische Anwendung von Gussglasblöcken erfreut sich langsam wachsender Beliebtheit. Zu den jüngsten Beispielen zählen der Qaammat-Pavillon (Oikonomopoulou et al., 2022), das LightVault (Parascho et al., 2020), die Qwalala-Skulptur (Paech, Goppert, 2018), die Kristallhäuser (Oikonomopoulou et al., 2018), das Optische Haus (Oshima, 2012), der Kronenbrunnen (Hannah, 2009) und das Atocha-Denkmal (Paech, Goppert, 2008). Alle oben genannten Projekte selbsttragender Gussglasblockbaugruppen basieren entweder auf einer sichtbaren, stützenden Unterkonstruktion (z. B. in optischen Häusern, Kronenbrunnen) oder, für ein optisch weniger störendes System, auf einem klaren oder hellen Klebstoff zum Verkleben des Feststoffs Glasblöcke zusammen (z. B. im Atocha-Denkmal, in den Kristallhäusern, in Qwalala, im Lichtgewölbe und im Qaammat-Pavillon), wie in Abb. 1 und Tabelle 1 dargestellt.

Die Möglichkeit der Verklebung erfreut sich immer größerer Beliebtheit, da sie eine vergleichsweise höhere Transparenz bietet und gleichzeitig die strukturelle Integrität der Baugruppe gewährleistet. Allerdings führt die Verwendung von Klebstoff zu einer irreversiblen Struktur und erschwert die Recyclingfähigkeit der Glaskomponenten aufgrund von Verunreinigungen zusätzlich. Im Bemühen um eine reversible und zerlegbare Gussglasblockbaugruppe, die gleichzeitig ein wettbewerbsfähiges Maß an Transparenz bietet, wurde von (Oikonomopoulou et al., 2018) ein neuartiges System eingeführt, das ineinandergreifende Gussglasblöcke verwendet (Abb. 1, rechts). Das noch in der Entwicklung befindliche System verfügt über eine Trockenstapelanordnung mit ineinandergreifenden Gussglasblöcken und einem Zwischenschichtmaterial (Abb. 2), das die Spannungen gleichmäßig verteilt und die Größenabweichungen der einzelnen Blöcke ausgleicht. Tabelle 1 fasst die Hauptmerkmale der drei Systeme zusammen.

Während Entwicklungen und experimentelle Tests zur Optimierung der ineinandergreifenden Glasblockgeometrie selbst durchgeführt wurden (Jacobs, 2017; Yang, 2019; Oikonomopoulou, 2019a), wurde noch keine konsistente Studie zum Zwischenschichtmaterial durchgeführt. Stattdessen liegen nur begrenzte experimentelle Daten aus früheren Studien vor (Aurik, 2017; Oikonomopoulou, 2019a; Akerboom, 2016; Oikonomopoulou 2019b), die sich in erster Linie auf das Kriechverhalten der gewählten Zwischenschicht konzentrieren und nicht auf alle miteinander verwobenen Aspekte im Zusammenhang mit der eventuellen Anwendbarkeit und Montage der Gussglasstruktur.

Ziel dieser Studie ist es daher, Design- und Leistungskriterien für solche Zwischenschichten festzulegen und mögliche Kandidaten für Zwischenschichtmaterialien im Hinblick auf mechanische Leistung und Herstellbarkeit in die gewünschte ineinandergreifende Form zu untersuchen. Darüber hinaus wird untersucht, inwieweit das Zwischenschichtmaterial die Detaillierung und den Zusammenbau der ineinandergreifenden Gussglasblockstruktur beeinflusst. Das Ergebnis der Studie ist eine Roadmap, die abhängig von den jeweiligen Designkriterien zukünftiger Designs bei der Auswahl des am besten geeigneten Zwischenschichtmaterials helfen kann.

Tabelle 1: Gestaltungsprinzipien der verschiedenen Struktursysteme mit Gussglaskomponenten, abgeleitet aus (Oikonomopoulou, 2019b)

Die Forschung beginnt mit einem kurzen Überblick über relevante Studien, um die Design- und Leistungskriterien für die Auswahl des Zwischenschichtmaterials zu bestimmen. Es folgt eine Materialstudie, in der verschiedene vielversprechende Zwischenschichtkandidaten auf der Grundlage der festgelegten Kriterien und Eigenschaften spezifiziert werden, die von CES Edupacksoftware und relevanten Literaturquellen überprüft wurden. Neben den Materialeigenschaften und der Leistung werden auch die Herstellungsmethoden und Herausforderungen für jeden Zwischenschichtkandidaten untersucht. Nachdem die vorgeschlagenen Zwischenschichten definiert wurden, wird der Zusammenbau und die Detaillierung der ineinandergreifenden Gussglasblockstruktur vorgestellt, basierend auf einem angenommenen Gebäudeszenario mit einem umlaufenden Metallrahmen.

Der verwendete ineinandergreifende Gussglasblock basiert größtenteils auf den Studien von (Jacobs,2017; Yang, 2019; Oikonomopoulou, 2019b) und hat die Form, wie in Abb. 3 unten gezeigt, entwickelt von (Jacobs,2017). Untersucht werden die unterschiedlichen Detaillierungs- und Konstruktionsanforderungen, die je nach Auswahl des Zwischenschichtmaterials auftreten. Die Ergebnisse der Studie werden in einer Roadmap zusammengefasst, in der je nach den individuellen Anforderungen oder Prioritäten eines Projekts die relevanten Zwischenschichten und Schlüsselüberlegungen identifiziert werden können. Abschließend werden mögliche Aspekte für die Weiterentwicklung der Forschung vorgestellt.

Für die Untersuchung eines Zwischenschichtmaterials für Gussglasblöcke wurden in früheren Studien eine Reihe von Designkriterien entwickelt, wobei mit Glas kompatible Materialien berücksichtigt wurden. Tatsächlich konzentrieren sich die im Folgenden vorgestellten früheren Studien stark auf Polymere, die häufig mit Glas kombiniert werden. Polymere werden typischerweise als Zwischenschichten in Verbundfloatglasscheiben verwendet, wo sie aufgrund ihrer Scherfestigkeit hauptsächlich dynamischen oder zyklischen Belastungen (Wind, Hartkörpereinwirkung usw.) ausgesetzt sind. Es ist jedoch auch bekannt, dass Polymere eine zufriedenstellende Druckfestigkeit aufweisen. Wenn man bedenkt, dass die Zwischenschicht der ineinandergreifenden Glasblockanordnung hauptsächlich einer einachsigen Druckbelastung ausgesetzt wäre, könnten Polymere tatsächlich Potenzial für diese Anordnung darstellen.

Zu den Studien, die eine experimentelle Untersuchung von Zwischenschichtmaterialien für Gussglasblöcke beinhalten, gehören (i) eine gestapelte Glasblocksäule (Akerboom, 2016), (ii) eine Glasblock-Mauerwerksbrücke (Aurik, 2017) und (iii) Experimente mit ineinandergreifenden Glasblöcken ( Oikonomopoulou, 2019b). Tabelle 2 stellt die Entwurfskriterien der Zwischenschichten innerhalb jedes Projekts und ihre Leistung dar.

Tabelle 2: Designkriterien und ausgewählte Zwischenschichtmaterialien in früheren Fallstudien.

In allen drei Studien wurde Transparenz-Transluzenz als Hauptkriterium festgelegt, was in Kombination mit den Steifigkeitskriterien die Materialauswahl auf Polyurethane (PU) und Polyvinylchlorid (PVC) beschränkte. Die Druckfestigkeit der Zwischenschicht wird aus derselben Quelle (Oikonomopoulou et al., 2014) als repräsentative Zahl betrachtet, in der Praxis hängt dieser Wert jedoch stark von jeder einzelnen Fallstudie ab – höhere Baugruppen führen beispielsweise zu höheren Ladungen. Für die Dauerhaftigkeit und die thermischen Eigenschaften werden üblicherweise in Architekturanwendungen geforderte Grenzwerte angegeben, die jedoch weniger wahrscheinlich einen großen Einfluss auf die Materialauswahl hatten.

Die erforderliche Steifigkeit der Zwischenschicht wies in den Studien die meisten Unterschiede auf. In Studie (i) (Akerboom, 2016) wird argumentiert, dass die Steifigkeit relativ hoch sein sollte, um Kriechen zu vermeiden. Leider scheiterte das einzelne durchgeführte Experiment aufgrund des Randstückaufbaus vorzeitig, sodass die Ergebnisse in Bezug auf PETG-Platten (Vivak®) nicht schlüssig sind. Im Fall (ii) wird das Zwischenschichtmaterial so gewählt, dass es eine deutlich geringere Steifigkeit aufweist als das Glas (Aurik, 2017). Es wurden Plattenproben unterschiedlicher Dicke (1–4 mm) getestet. Dabei kam man zu dem Schluss, dass 1 mm PVC und 4 mm PU am vielversprechendsten waren. Dieselbe Studie ergab, dass die dickeren Zwischenschichtvarianten (3–4 mm) eine homogenere Verteilung der Spannungen und eine erhöhte Steifigkeit der Zwischenschicht ermöglichen.

Bei PVC traten jedoch während der Prüfung sichtbare Kriechvorgänge bei 3–4 mm dicken Zwischenschichten auf. Stattdessen wurden dünnere PVC-Zwischenschichten gewählt, nachdem experimentell nachgewiesen wurde, dass das Material stark zeitabhängig ist und unter statischen Belastungen Kriechen auftritt. Schließlich sollte in Studie (iii) die Zwischenschicht steif genug sein, um ein Eindringen zu verhindern, aber dennoch flexibel genug, um eine Anpassung an die Mikrounebenheiten der Glaskomponenten zu ermöglichen (Oikonomopoulou, 2019b). Es wurden vier verschiedene Zwischenschichtmaterialien mit einer Shore-Härte zwischen 60 und 80 A getestet: PMC 746 (60 A), PMC 770 (70 A), Permacol 5450 (75 A) und Task 16 (80 A).

Alle Alternativen konnten in die gewünschte Zwischenschichtgeometrie gegossen werden (Abb.2). Einige der getesteten Proben zeigten ein vielversprechendes Verhalten, stabilisierten sich jedoch nicht innerhalb der Testdauer von 900 Sekunden, was darauf hindeutet, dass das Kriechverhalten der ausgewählten Zwischenschichten weiterer experimenteller Untersuchungen bedarf. Die Ergebnisse legen auch nahe, dass die Reißfestigkeit der Zwischenschicht ebenso wichtig ist wie ihre Shore-Härte. Insbesondere die mit Permacol 5450 (75A) und PMC 746 (60A) verschachtelten Baugruppen versagten aufgrund des frühen Reißens der Zwischenschicht, was zu Glas-zu-Glas-Kontakt und damit zum Versagen aufgrund lokaler Spitzenspannungen führte.

Bei der Verwendung von 3 mm dicken Zwischenschichten aus Task 16 (80A) und PMC 770 (70A) wurde festgestellt, dass der Kontakt der Zwischenschicht mit den Glasblöcken aufgrund von Maßabweichungen der Gusskomponenten und/oder unzureichender Dicke unzureichend oder inhomogen war B. der Zwischenschicht, kann selbst unter statischer Belastung aufgrund des Auftretens von Spitzenspannungen zum Versagen der Glasblockanordnung führen, die durch seitliche Kräfte, die durch das Kriechen der Zwischenschicht entstehen, noch verstärkt werden (Oikonomopoulou, 2019b), wie in Abb. 4 dargestellt .

Eine weitere Beobachtung betrifft die unterschiedliche Herstellungsweise der Zwischenschicht in jedem Fallbeispiel im Hinblick auf die gewünschte Geometrie. Die einfach gekrümmte ineinandergreifende Geometrie von Beispiel (ii) ermöglichte die Verwendung leicht verfügbarer PU- und PVC-Platten in verschiedenen Dicken. Stattdessen führte die doppelt gekrümmte ineinandergreifende Geometrie der Beispiele (i) und (iii) zur Auswahl entweder einer Folie, die durch Vakuumformen in die gewünschte Geometrie gebracht werden kann, oder einer PU-Zwischenschicht, die in die gewünschte Form gegossen werden kann.

Die zuvor besprochenen Studien konzentrierten sich auf die Festlegung von Kriterien, die zu maßgeschneiderten Zwischenschichtlösungen für die jeweiligen Designs führen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über mögliche Zwischenschichtmaterialien zu geben, die auf einem umfassenderen Satz von Design- und Leistungskriterien sowie einer einfachen Herstellung und Konstruierbarkeit basieren. Ziel ist es, Architekten und Bauingenieuren eine Roadmap zur Materialauswahl für das Zwischenschichtmaterial zu liefern, die auf den priorisierten Kriterien der entworfenen ineinandergreifenden Glasstruktur basiert. Daher kann nach Prüfung früherer Designkriterien für das Zwischenschichtmaterial eine Reihe neuer überarbeiteter Kriterien festgelegt werden.

Um sicherzustellen, dass die Forschung nicht vorzeitig eingeschränkt wird, werden die Kriterien in primäre und sekundäre Kriterien unterteilt. Die Forschung wird sich auf die Suche nach Materialien konzentrieren, die die Hauptkriterien erfüllen, die für die ordnungsgemäße strukturelle Funktion der Zwischenschicht und der ineinandergreifenden Baugruppe als wesentlich erachtet werden. Die sekundären Kriterien betreffen Aspekte, die die strukturelle Integrität der Baugruppe nicht beeinträchtigen und daher flexibler untersucht werden. Die etablierten Kriterien sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Fett hervorgehoben sind die Kriterien, die sich im Vergleich zu den vorherigen Studien geändert haben oder dominanter geworden sind.

Tabelle 3: Überarbeitete Designkriterien für Zwischenschichtmaterial

4.1. Primär

Die in den vorherigen Studien definierten geometrischen Einschränkungen blieben in dieser Forschung unverändert. Das Zwischenschichtmaterial soll in der gewünschten Geometrie und Dicke verarbeitbar sein. Die Zwischenschicht muss die Größenunterschiede der einzelnen Blöcke ausgleichen und einen homogenen Kontakt erreichen, um das Auftreten lokaler Spannungsspitzen zu verhindern, die zum Versagen der Baugruppe führen können (Oikonomopoulou, 2018). Die Fähigkeit der Zwischenschicht, die Größenabweichungen der einzelnen Blöcke auszugleichen, trägt weiter dazu bei, die Kosten einer Gussglasstruktur zu senken, da sie die Nachbearbeitung der Blöcke, wie beispielsweise bei der Crystal Houses-Fassade (Oikonomopoulou et al. , 2017). Bisher realisierte Beispiele deuten auf erwartete Größenabweichungen in Höhe und Ebenheit von ±1 mm für (formgepresste) Borosilikatglasblöcke (Paech, Göppert, 2008) und von ± 1,5 mm für (offene) Kalknatrongussglasblöcke (Oikonomopoulou) hin et al., 2022) in einer Größe, die mit Terrakottaziegeln vergleichbar ist. Daher scheint eine Dicke zwischen 2 und 3 mm optimal zu sein, um eine gleichmäßige Kontaktfläche zu ermöglichen und gleichzeitig Oberflächenunregelmäßigkeiten zu absorbieren.

Eine Zwischenschicht zwischen zwei ineinandergreifenden Objekten aus einem spröden Material sollte duktiler sein als das Material selbst. Wenn die Zwischenschicht jedoch wesentlich weniger steif ist als die ineinandergreifenden Komponenten, ist mit Kriechen zu rechnen; Darüber hinaus kann es die Verbundsteifigkeit der Baugruppe stark beeinträchtigen. Um solch ein nachteiliges Ergebnis zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass die Zwischenschicht eine geringere, aber vergleichbare Steifigkeit wie das Gussglas aufweist. Es sollte weich genug sein, um eine homogene Kontaktfläche zum Glas zu erreichen, darf aber die Stabilität des Systems nicht gefährden. Ein ähnlicher Vorschlag wurde von (Wurm & Peat, 2007) gemacht: „Die Härte, Steifigkeit und Haltbarkeit der Zwischenschicht beeinflussen das System der Baugruppe unter Belastung. Die Lastübertragungsschicht sollte einen Elastizitätsmodul ähnlich dem von Glas und einen Druck kombinieren.“ Stärke so hoch wie möglich. Laut CES EduPack 2019 (Granta Design Limited 2019) haben Borosilikat- und Natronkalkglas einen Elastizitätsmodul im Bereich von 50–72 GPa. Abhängig vom Zwischenschichtmaterial kann anstelle des Elastizitätsmoduls die Shore-Härte relevanter sein, wie in den vorherigen Studien in Abschnitt 3.2 gezeigt wurde.

Die Mindestdruckfestigkeit der Zwischenschicht wird als repräsentativer Wert angegeben, der sich auf die zu erwartende maximale Druckbelastung (z. B. aufgrund des Eigengewichts) relevanter realisierter Beispiele bezieht. Basierend auf bisher realisierten Beispielen liegen die aufgrund der großen Dicke und damit der Kontaktfläche zwischen den Blöcken zu erwartenden dauerhaften Druckspannungen, die aufgrund des Eigengewichts auf eine Glasblockstruktur einwirken, typischerweise deutlich unter 0,5 MPa. Beispielsweise betrugen an der untersten Ziegelreihe die permanenten Druckspannungen, die auf die Fassade des Crystal Houses (12 m hoch) einwirkten, < 0,2 MPa (Oikonomopoulou et al., 2017), bzw. < 0,1 MPa für die Qwalala-Struktur (Paech, Goppert, 2018). ) und <0,15 MPa für den Qaammat-Pavillon (Oikonomopoulou et al., 2022). Daher sollte die Anforderung einer Druckfestigkeit von >2 MPa den meisten Gussglasblockbaugruppen genügen.

Eine der größten Herausforderungen, mit denen sich die bisherigen Studien auseinandersetzen mussten, war das Kriechen der gewählten Zwischenschichtmaterialien. Kriechen kann durch längere Belastung zu einer bleibenden Verformung führen (McKeen, 2015). Obwohl die meisten Materialien Kriecheigenschaften besitzen, weisen nicht alle diese bei Raumtemperatur auf. Beispielsweise können auch Metalle kriechen, allerdings bei deutlich hohen Temperaturen, weshalb ihr Kriechverhalten bei Raumtemperatur als konstant angesehen werden kann. Bei anderen Materialien wie Kunststoffen, die viskoelastisch sind (mit feststoffähnlichen und flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften), ist Kriechen jedoch sogar bei Raumtemperatur erkennbar. Bei dieser Konstruktion ist die Zwischenschicht einem Druckkriechen ausgesetzt, das je nach definierter Betriebstemperatur bei bestimmten Materialtypen ein größeres Problem darstellt als bei anderen (Oikonomopoulou, 2019b) und (Aurik, 2017).

Die Reißfestigkeit der Zwischenschicht wirkt sich auf die Leistung der Baugruppe aus. Daher ist dieses Kriterium zwar nicht für alle Materialien kritisch (bei Metallen besteht kein Reißrisiko), es wird jedoch als primäres Kriterium für die betroffenen Materialfamilien einbezogen. Der Grenzwert ist den experimentellen Ergebnissen von (Oikonomopoulou, 2019b) entnommen.

4.2. Sekundär

Für die sekundären Kriterien werden Eigenschaften definiert, die keinen Bezug zur strukturellen Leistung haben.

Das ursprüngliche Ziel, das zur Entwicklung eines ineinandergreifenden Gussglasblocksystems führte, bestand darin, eine trocken stapelbare, wiederverwertbare Baugruppe zu erhalten. Obwohl die Recyclingfähigkeit von Glas das Hauptziel ist, sollte das Zwischenschichtmaterial idealerweise auch recycelbar oder wiederverwendbar sein.

Transparente oder durchscheinende Zwischenschichtmaterialien werden nicht als notwendig erachtet, da sie den Suchprozess vorzeitig einschränken könnten. Der ästhetische Beitrag der Zwischenschicht wird bei der endgültigen Entscheidung berücksichtigt, ist jedoch nicht der ausschlaggebende Faktor. Dies wird durch die Wahl nicht-transparenter Klebstoffe für die Verklebung mehrerer der realisierten Verbundglasbausteinstrukturen (z. B. in der Qwalala-Skulptur, im LightVault und im Qaammat-Pavillon) zusätzlich unterstützt.

Die Zwischenschicht und die ineinandergreifenden Blöcke sind zwei unabhängige Elemente, die einfach aufeinander gelegt werden. Daher ist es nicht unbedingt erforderlich, analoge Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben. insbesondere unter Berücksichtigung der erforderlichen weicheren Beschaffenheit des Zwischenschichtmaterials (das somit in der Lage wäre, thermische Bewegungen durch Verformung aufzunehmen). Bisher realisierte Glasbausteinstrukturen verwenden entweder Borosilikatglas- oder Natronkalkglasbausteine. Natronkalk hat einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Borosilikat; 9*10⁻⁶/K bzw. 3,1-6*10⁻⁶/K entsprechend. Es ist darauf zu achten, dass der Unterschied zum jeweiligen Koeffizienten der Zwischenschichtmaterialien relativ gering ist, um erhebliche Bewegungen zwischen den Fassadenelementen zu minimieren.

Die Haltbarkeitskriterien sind für die Montage relevant, wenn das Verbundgussglassystem in einer Gebäudefassade verwendet wird. Bei interner Verwendung der Baugruppe sind solche Kriterien nicht mehr erforderlich. Darüber hinaus können die genauen Anforderungen je nach Anwendungsland variieren. Obwohl sie letztendlich entscheidend sein werden, sollte die Studie daher nicht vorzeitig auf die Haltbarkeit der Zwischenschicht beschränkt werden.

Die überarbeiteten Kriterien sind in ihren jeweiligen Kategorien in Tabelle 3 oben aufgeführt.

Die primären und sekundären Kriterien werden die Hauptrichtlinien während der gesamten Materialstudie sein, wobei auch die einzigartigen Materialeigenschaften jedes Kandidaten (z. B. Reibung) berücksichtigt werden. Gemäß (Ashby et al., 2007) können die technischen Werkstoffe in sechs große Familien eingeteilt werden: Metalle, Polymere, Elastomere, Keramiken, Gläser und Hybrid-Verbundwerkstoffe. Jede Familie weist bestimmte unterschiedliche Merkmale und Eigenschaften auf, die mithilfe des CES-Edupack-Programms überprüft werden.

Da die ineinandergreifenden Blöcke aus Glas bestehen, einem spröden Material mit hoher Steifigkeit, sollte die Zwischenschicht nicht die gleichen Eigenschaften aufweisen, da sich sonst die Herausforderung zwischen Block und Zwischenschicht lediglich vervielfacht. Infolgedessen werden die Materialfamilien Glas und Keramik, die beide diese Eigenschaften aufweisen, insgesamt von potenziellen Kandidaten ausgeschlossen, während die verbleibenden zu prüfenden Familien Metalle, Polymere und Elastomere sind. Darüber hinaus können Hybridmaterialien in Betracht gezogen werden, die durch die Kombination zweier oder mehrerer Materialien entstehen und zu verbesserten Eigenschaften führen. Fast alle natürlichen Materialien (Knochen, Holz) sind Hybride (Ashby et al., 2007). Aus den Materialfamilien stehen Kandidaten im Mittelpunkt, die typischerweise mit Glas kombiniert werden oder als Zwischenschichten in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden; Aufteilung in Monomaterial- und Hybridkandidaten. Eine Übersicht der betrachteten Materialien ist in Tabelle 4 dargestellt.

Tabelle 4: Übersicht der berücksichtigten Materialien für trockene Zwischenschichten

5.1. Monomaterial

Polymere

Verbundglas-Zwischenschichten bestehen typischerweise aus Polymeren (PVB, EVA, Ionomere). Daher sind sie trotz ihrer zufriedenstellenden Druckfestigkeit häufig mit Scherbelastungen verbunden. Aufgrund der viskoelastischen Beschaffenheit von Polymeren passt sich die Form je nach einwirkenden Kräften an, was bedeutet, dass sie unter statischer Belastung zum Kriechen neigen. Polymere können durch Spritzguss geformt werden und sind üblicherweise transparent oder durchscheinend.

In den Experimenten von (Aurik,2017) und (Oikonomopoulou,2019b) wurden PU und PVC in verschiedenen Dicken unter einer statischen Belastung von 480 kN bzw. 40 kN getestet. Obwohl die PU70- und PU80-Kandidaten als vielversprechend galten, stabilisierte sich ihre Verformung während der Experimente nicht, was bedeutet, dass es letztendlich immer noch zu einem Versagen aufgrund von Kriechen kommen könnte. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass sich die auferlegte statische Belastung in einer nominellen Druckspannung von 11 MPa im Fall von (Aurik, 2017) und 14,2 MPa im Fall von (Oikonomopoulou, 2019b) niederschlägt, was erheblich höher ist als die erwarteten Dauerspannungen, die bei auftreten eine Glasbausteinstruktur. (Akerboom, 2016) wählten eine Copolymerfolie, Vivak®, die aus PETG (Polyethylenterephithalat), der glykolmodifizierten Version von PET, hergestellt wird. Da PETG steifer als PVC und PU ist, wird eine bessere Leistung erwartet, die Ergebnisse zur Kriechfestigkeit waren jedoch nicht schlüssig. Anstelle von PETG ist PMMA auch ein steiferes thermoplastisches Polymer, das typischerweise in Plattenform hergestellt wird und ähnliche mechanische Eigenschaften und Formgebungsfähigkeiten aufweist. Aufgrund der vielen Ähnlichkeiten zwischen den beiden Materialien wird für diese Studie nur PETG berücksichtigt.

Abb. 5 stellt die drei Materialkandidaten zusammen dar. Während PVC je nach Shore-Härte eine große Bandbreite an Festigkeit und Formfaktor aufweist, scheinen PU und PETG konsistentere Eigenschaften zu haben.

Elastomere

Elastomere wie Neopren, Silikon und PTFE (z. B. Teflon) werden in architektonischen Anwendungen häufig in Kontakt mit Glas gebracht, z. B. als Fensterdichtmittel, Dichtungen, Unterlegscheiben und Polsterung, und funktionieren oft unter langfristiger Kompression, was sie zu vielversprechenden Kandidaten macht. In Abb. 6 ist ersichtlich, dass alle drei Materialien zwar eine vergleichbare Druckfestigkeit aufweisen, PTFE jedoch den höchsten Formfaktor aufweist.

Neopren ist ein Polychloropren-Kautschuk, der flexibel und reißfest ist und in Platten unterschiedlicher Dicke hergestellt wird. Da es nur minimale bis gar keine Wartung erfordert, wird Neopren bei Langzeitkonstruktionen bevorzugt und findet sich häufig in Glaspunktbeschlägen, die Glasscheiben vor direktem Kontakt mit der Metallklammer schützen (Patterson, 2011). Neopren wurde auch als Zwischenprodukt zwischen getesteten ineinandergreifenden Glasblöcken und der Stahlmaschine verwendet (Oikonomopoulou, 2019b). Es wird erwartet, dass die Druckfestigkeit von Neopren zufriedenstellend ist und die Flexibilität des Materials eine Anpassung an die Form des Schlosses ermöglichen sollte. Sein Kriechverhalten in der gewünschten Dicke und Form muss jedoch experimentell überprüft werden. Während für flache Proben möglicherweise bereits ein ähnlicher Test durchgeführt wurde, kann die ineinandergreifende Geometrie möglicherweise die Leistung des Materials beeinträchtigen, da die Last nicht durchgehend senkrecht zur Zwischenschichtoberfläche verläuft und daher weitere Untersuchungen erforderlich sind.

Silikon hat eine sehr ähnliche Konsistenz wie Glas (Siliziumdioxid), was bedeutet, dass beim Kontakt mit Glas beim Aushärten eine sehr starke Verbindung entstehen kann. Die Entfernung des Silikons führt typischerweise zu einer Verunreinigung der Glasoberfläche und steht somit im Widerspruch zum ursprünglichen Ziel eines demontierbaren, recycelbaren Verriegelungssystems. Obwohl von Dow Silicones Belgium ein neues vielversprechendes Silikon-Abstandhalterprodukt mit der Möglichkeit einer einfachen Entfernung entwickelt wurde, wurde es noch nicht auf nicht ebenen Oberflächen getestet (Hayez et al., 2019). Darüber hinaus besteht bei Silikonen die Gefahr, dass sie unter Druck kriechen. Um das Silikon zu formen, könnte das Gießen der gewünschten Geometrie oder die Verwendung von Silikonplattenprodukten in Betracht gezogen werden.

PTFE wird häufig als Unterlegscheibe für verschiedene Glasbefestigungen (z. B. Spinnenbefestigungen usw.) verwendet. Es ist sehr langlebig, korrosionsbeständig und antihaftbeschichtet. Die glänzende Oberfläche, die geringere Reibung und die Rutschgefahr können bei dieser Anwendung eine Herausforderung darstellen, wie an der ineinandergreifenden Stielsäule zu sehen ist, und möglicherweise ist ein Schleifen erforderlich. Hinsichtlich der Formgebung kann ein aufwändiges Verfahren wie Formpressen des Pulvers und Sintern für die Geometrie erforderlich sein, da PTFE in seiner erhitzten Form nicht sehr biegsam ist. Das Kriechverhalten von PTFE muss ebenfalls durch Tests untersucht werden, obwohl es anfälliger für Zugkriechen als für Druckkriechen ist (DuPont, nd).

Metalle

Einer der Hauptvorteile von Metallen besteht darin, dass sie bei Raumtemperatur praktisch kein Kriechen zeigen. Dennoch kann es sich als Herausforderung erweisen, Glas in direkten Kontakt mit einem Metall zu bringen. Wenn Glas in direktem Kontakt mit Stahl oder Titan steht, kommt es häufig zur Rissausbreitung. Tatsächlich wird typischerweise zwischen Titaneinsätzen und Glaselementen eine Folie platziert, um die Spannungen zu verteilen. Dies wurde durch (Oikonomopoulou et al., 2015) auch für Gussglasbaugruppen experimentell bestätigt: Drucktests einzelner Glasblöcke, die in direktem Kontakt mit der Stahloberfläche der Prüfmaschine standen, zeigten bei Werten zwischen 20 und 30 MPa ein frühes Versagen , wohingegen Blöcke, die mit Sperrholz als Zwischenschicht getestet wurden, die Belastungsgrenze der Maschine ohne Ausfall erreichten, was auf eine Druckfestigkeit von mehr als 90 MPa schließen lässt.

Bei einem von (Akerboom, 2016) durchgeführten Experiment wurde auch ein frühes Versagen aufgrund von Spitzenspannungen beobachtet, die zwischen einer dünnen Kupferzwischenschicht und der Glasbausteinoberfläche auftraten. Diese Bedingung gilt jedoch nicht für alle Metalle, die mit Glas in Kontakt kommen. Bei vielen Druckglasexperimenten, die mit Stahlmaschinen durchgeführt werden, wird eine Zwischenschicht zwischen der Glaskomponente und der Maschine verwendet, um eine gleichmäßige Spannungsverteilung zu ermöglichen; Zu den verwendeten Materialien gehören auch dünne Metallbleche aus Blei und Aluminium (Daryadel et al., 2016) (Sheikh et al., 2018), deren Elastizitätsmodul ähnlich oder niedriger als Glas ist.

Die entscheidende Eigenschaft bei der Verwendung dieser Metalle im direkten Kontakt mit Glas ist ihre Steifigkeit. Wie in Abb. 7 gezeigt, ist rostfreier Stahl viel steifer als die anderen Metalle sowie Glas, während Blei und Aluminium duktiler sind, wodurch sie die Mikrounebenheiten der Glasoberfläche ausgleichen und dennoch der Druckbelastung standhalten können. Die Steifigkeit von Aluminium ist eher mit der von Glas vergleichbar, während Blei formbarer und duktiler ist. Allerdings kann Blei für den Menschen gefährlich sein, da es giftig ist und seine Verwendung langsam eingeschränkt wird. Darüber hinaus hat Blei im Vergleich zu Glas einen deutlich anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was entmutigend ist, da es zu erheblichen Bewegungen in der resultierenden Konstruktion führen kann. Hinsichtlich des Formgebungskriteriums können alle Metalle in eine Form gegossen oder gepresst werden, sodass diesbezüglich keine Schwierigkeiten auftreten.

5.2. Hybrid

Hybride sind die Kombination mehrerer Materialien wie faserverstärkter Polymere, Sandwichstrukturen, Laminate und Verbundwerkstoffe (Ashby et al., 2007), die zusammengeführt werden, um eine optimierte Kombination der beteiligten Materialien zu erhalten. Einer der Hauptnachteile fortschrittlicher Hybridmaterialien sind die erhöhten Produktionskosten und die zusätzliche Bindung zwischen den mehreren Schichten.

Metallschäume

Metallschäume werden häufig als Plattenzwischenlagen verwendet, da sie leicht sind und eine erhöhte Druckfestigkeit aufweisen. Die Eigenschaften dieser Materialien hinsichtlich Schlagfestigkeit (Liu et al., 2014), Explosionsreaktionen (Liu et al., 2012) und Gesamtwirksamkeit (Torre, Kenny, 2000) werden noch untersucht. Eine Schaumgeometrie ist zu unregelmäßig, um mit einer Glaskomponente in Kontakt zu kommen. Daher sind glatte Platten auf den Außenflächen erforderlich, um Reibung mit der Glasoberfläche zu vermeiden. Darüber hinaus ist die Formung eines Metallschaums in die erforderliche Geometrie eine Herausforderung. Bei den meisten Metallschaum-Herstellungsverfahren entstehen flache Platten oder symmetrische Grundkörper (Würfel, Zylinder etc.). Methoden, bei denen Formen zum Einsatz kommen, würden als geeignet erachtet, etwa Metallpulveraufschlämmungen oder Feinguss. Es ist jedoch immer noch zu erwarten, dass der Vorschlag für die Herstellung zu komplex sein könnte.

Laminiertes PU

Ein Hauptproblem im Zusammenhang mit den Elastomer- und Polymerkandidaten ist ihre Kriechneigung. In Brückenlagern werden üblicherweise Elastomer-Gleitlager verwendet, die oft in Sandwichform mit Metallplatten laminiert sind und einer langfristigen Kompression ausgesetzt sind. Die Metallplatten verstärken die Gummischichten, beeinträchtigen die Kriechfähigkeit und verbessern so die Gesamtsteifigkeit des Lagers. Das gesamte System ist von einer dünnen Gummischicht umgeben, um das Metall vor Korrosion zu schützen (Lee, 1990).

In ähnlicher Weise könnte für die Zwischenschicht ein dünnes Metallblech zwischen zwei Elastomer- oder Polymerstücken eingelegt werden, um eine hybride, verstärkte Zwischenschicht zu schaffen. Ein solcher Prozess würde den Herstellungsaufwand der Zwischenschicht erheblich erhöhen; die doppelte Menge an Elastomer-Zwischenschichten müsste geformt werden, ebenso wie die Metall-Zwischenschichten. Schließlich müssten die drei Elemente jeder Zwischenschicht zu einem einheitlichen Objekt verbunden werden. Die gebräuchlichste Verbindungsmethode für die beiden Materialien wäre die Anwendung eines Klebstoffs, da eine mechanische Verbindung die Komplexität und den Arbeitsaufwand erhöhen würde.

Weicher Aluminiumkern

Die Implementierung eines weicheren Kerns und härterer Außenschichten könnte effektiver sein als das Gegenteil, da dadurch das Verhalten der Zwischenschichten bei Stößen und Vibrationen verbessert werden könnte. Ein solches Material gibt es bereits auf dem Markt: Alucobond®. Das Material ist ein Verbundsandwich, bestehend aus zwei Aluminiumplatten über einem Polyethylenkern (Kula, Ternaux, 2009). Für die Formgebung wird Alucobond® in Plattenform hergestellt, die nach der Produktion gebogen oder die einzelnen Teile vor dem Verkleben geformt werden müssten.

5.3. Überblick & Diskussion

In Abb. 8 werden alle besprochenen Materialien in einem qualitativen Vergleich ihrer Leistung gemäß den überarbeiteten Designkriterien für primäre und sekundäre Zwischenschichten dargestellt. Von den diskutierten Materialien sind die vielversprechendsten Kandidaten für trockene Zwischenschichten: PU, PETG-Platten (Vivak®), Neopren-Aluminium, laminiertes PU und Weichkern-Aluminium. Die ausgewählten Materialien weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, die letztendlich Aufschluss darüber geben, welche Materialfamilie die vielversprechendste strukturelle Leistung für die ineinandergreifende Glasanordnung aufweist.

Aufgrund der vergleichsweise bereits umfangreichen Tests von Polymeren in ähnlichen Anwendungen wird sich die Auswahl aus dieser Familie auf die Untersuchung eines steiferen Polymers wie PETG und auf die erneute Prüfung von PU im Kriechverhalten unter den überprüften erwarteten dauerhaften Druckspannungen konzentrieren. PU sollte sowohl mit als auch ohne Laminierung (Hybrid-Zwischenschicht) untersucht werden, um möglicherweise zu zeigen, wie effektiv die Laminierung tatsächlich ist.

Aus der Elastomerfamilie wurden drei Materialien diskutiert: Neopren, Silikon und PTFE. Hinsichtlich der Hauptkriterien fällt die Bewertung von Neopren ambivalent aus. Es ist ein physischer Prototyp erforderlich, um zu bestätigen, ob er sich an die erforderliche Geometrie anpassen kann, und Drucktests unter statischer Belastung sind unerlässlich, um zu untersuchen, inwieweit das Material kriecht. Silikon führt typischerweise zu einer Verunreinigung der Glasoberfläche, sodass diese nicht mehr recycelbar ist. Obwohl es potenzielle Produkte gibt, die dieses Problem lösen könnten, wird der Kandidat für die Silikonzwischenschicht verworfen, da sie sich noch in der Entwicklung befinden. PTFE würde während der Herstellung extreme Manipulationen erfordern, um die gewünschte Geometrie zu erreichen, was sich auf die Gesamtkosten auswirken würde. Aufgrund der verringerten Reibung kann außerdem eine zusätzliche Nachbearbeitung zum Schleifen erforderlich sein, um Mikrorotationen der Glasblöcke zu vermeiden.

Bei den Metallen stehen sowohl Aluminium als auch Blei ganz oben auf der Liste der Hauptkriterien. Blei sollte jedoch aufgrund seiner toxischen Eigenschaften und seines erheblich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgeschlossen werden. Darüber hinaus würde die zusätzliche Belastung der Struktur aufgrund der hohen Dichte von Blei die Baugruppe ohne Grund belasten. Aluminium ist daher der aussichtsreichste Kandidat aus dieser Materialfamilie.

Falls schließlich eine Monomateriallösung die Anforderungen der Struktur nicht erfüllen kann, könnte ein Hybridvorschlag in Betracht gezogen werden. Der größte Nachteil bei der Verwendung einer Hybridzwischenschicht sind die erhöhten Kosten, die für die Verarbeitung des Materials anfallen. Abgesehen von der größeren Anzahl an Schichten, die geformt werden müssen, gibt auch deren Verbindung Anlass zur Sorge und muss weiter untersucht werden. Das Metallschaumkern-Sandwich erfordert eine zusätzliche Behandlung der Kanten des Verbundwerkstoffs, da sonst Wasser durchdringt. Von den dreien weist der Brückenlager-Prototyp das höchste Kriechrisiko auf, da ungewiss ist, inwieweit die Innenlaminierung die gesamte Kriechleistung zwischen den Schichten verbessern wird. Obwohl das Weichkern-Aluminium das vielversprechendste zu sein scheint, sollte es nur getestet werden, wenn die Zwischenschicht aus Monomaterial-Aluminium versagt. Insgesamt wird die Hybridlösung, die gewählt wird, nach den Angaben zu den Monomaterial-Zwischenschichten betrachtet, da es sich um Kombinationen davon handelt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Materialien aus verschiedenen Familien idealerweise unter statischer Belastung in flachen und geformten Proben getestet werden sollten, um möglichst viele Erkenntnisse aus den experimentellen Tests zu gewinnen, um ihr Kriechverhalten zu beurteilen. In Abb. 8 sind die für die Untersuchung ausgewählten Materialien hervorgehoben: PU (mit und ohne Laminierung), PETG (Vivak), Neopren, Aluminium und Softcore-Aluminium.

5.4. Herstellung

Der industrielle Herstellungsprozess zur Bildung jedes Zwischenschichtkandidaten in der gewünschten Größe und Form wird vorgestellt. In Tabelle 5 sind die erforderlichen Informationen für die Herstellung aller Zwischenschichtkandidaten zusammengefasst. Die Zwischenschichtdicken variieren stark, von der dünnsten 1-mm-Aluminiumschicht bis zur dicksten 5-mm-Laminatschicht. Neopren erfordert die geringste Bearbeitung, PETG ist der einzige Kandidat, der eine Nachbearbeitung erfordert, und die kombinierten Techniken, die für die Hybridzwischenschichten erforderlich sind, stellen die höchste Komplexität dar. Speziell:

Tabelle 5: Herstellungsdetails der Zwischenschichtkandidaten

Obwohl PETG als geeignet für das Laserschneiden gilt, werden Sägen und Oberfräsen häufiger zum Schneiden des Materials eingesetzt. Beim Formen bieten Vivak®-Platten hervorragende Thermoformeigenschaften. Die am weitesten verbreiteten Verfahren sind Vakuumformen, Freiblasformen und Linienbiegen, wobei Vakuumformen als die am besten geeignete Methode für die gewünschte Geometrie gilt. Da bei der glänzenden PETG-Oberfläche (Vivak®) das Risiko besteht, dass sich die Kontaktfehler durch Mikrodrehungen während der Montage verstärken, sollte das Material vorher geschliffen werden, um die Reibung zwischen der Zwischenschicht und den Glasblöcken zu erhöhen (Akerboom, 2016). Die Platten können mit Nassschleiftechniken geschliffen werden. In früheren Studien wurde eine Dicke von 2 mm gewählt (Akerboom, 2016) (Barou, 2016), um ein gewisses Kriechpotenzial zu ermöglichen, ohne den Glas-zu-Glas-Kontakt zu riskieren.

Neopren wird in Plattenform hergestellt, die typischerweise industriell durch Stanzen oder Laserschneiden geschnitten wird. Nach dem Zuschnitt auf die gewünschte Größe können die flachen Proben vor Ort transportiert werden und das Material soll sich lediglich durch Kompression der Form anpassen. Da dickere Neoprenplatten tendenziell steifer sind, gelten Proben mit einer Dicke von mehr als 3 mm nicht als geeignete Alternativen, da sie sich nicht gut an die komplexe doppelt gekrümmte ineinandergreifende Geometrie anpassen und die Gesamtsteifigkeit der Baugruppe beeinträchtigen. Da das Material außerdem zum Kriechen neigt, ist eine Dicke unter 2 mm nicht ratsam.

Um Aluminium zu formen, gibt es verschiedene Kalt- und Warmumformverfahren (Zheng et al., 2018). Da Maßgenauigkeit wichtig ist und die Geometrie nicht zu komplex ist, ist die Kaltumformung wahrscheinlich vorzuziehen. Hydroforming von Blechen könnte eine Option sein, die zu weniger Abrieb und besseren Oberflächen führt und nur ein Formteil erfordert. Andernfalls könnte Kaltprägen verwendet werden, was schneller in der Produktion ist, aber sowohl eine Patrize als auch eine Matrize für die Presse erfordert. Da keine Kriechgefahr besteht, kann die Dicke geringer sein als bei einer Neopren- oder PETG-Zwischenschicht, aber nicht zu dünn, um die Mikrounebenheiten des Glasblocks zu berücksichtigen. Daher wird ein Minimum von 2 mm empfohlen.

Die Formgebung dieser Zwischenschicht wird sowohl mit einem Klebstoff als auch mit einer mechanischen Verbindung untersucht. Normalerweise wird bei solchen Verbundwerkstoffen eine Klebeverbindung bevorzugt, um eine kohärente Leistung über die gesamte Oberfläche sicherzustellen. Zuerst würden die drei Schichten separat geformt; Aluminium wie oben besprochen und PU durch Spritzgießen, wie in früheren Experimenten durchgeführt (Oikonomopoulou, 2019a). Um eine gleichmäßige Haftung zu gewährleisten, muss das geformte Aluminium anschließend ordnungsgemäß vorbereitet werden. Das Entfetten des Metalls, das Strahlen mit einem Schleifgitter und das Auftragen der chemischen Grundierung sind einige der Hauptschritte, wie von (Gallagher Corporation, 2017) beschrieben.

Der Einsatz eines Klebers bedeutet jedoch, dass die Zwischenschicht nicht recycelt werden kann, weshalb auch eine alternative, reversible Verbindung geprüft wird. Wenn eine flache Probe hergestellt und dann in die gewünschte Form gepresst wird, besteht die Gefahr, dass das PU während des Prozesses kriecht, was zu einer inkonsistenten Dicke führt. Stattdessen müssen die drei Schichten während oder nach der PU-Formgebung mit der Aluminiumschicht verbunden werden. Das PU könnte möglicherweise in eine Form gegossen werden, die bereits eine geformte, durchbrochene Aluminiumschicht enthält, damit das Material durch die Löcher fließt und das Aluminium umschließt, wodurch ein einheitliches Objekt entsteht. Wenn das Aluminium ordnungsgemäß behandelt wird, haftet das PU nicht am Aluminium, sodass die Schichten getrennt und recycelt werden können. Dieser Prozess erhöht den Arbeitsaufwand nicht wesentlich, da keine zusätzlichen Teile benötigt werden und in beiden Fällen eine Form zum Gießen des PU verwendet werden würde.

Basierend auf den Ergebnissen von (Aurik, 2017) und (Oikonomopoulou, 2019) werden 2 mm dicke PU-Schichten vorgeschlagen, sodass die zusätzliche Dicke von PU der Dicke mit der besten Leistung entspricht. Dazwischen kann ein 1 mm dickes Aluminiumblech gelegt werden, sodass die Gesamtdicke 5 mm beträgt.

Unter dem Namen Alucobond® gibt es bereits einen Weichkern-Aluminiumverbund auf dem Markt. Die Polymerplatte und der Klebefilm werden in separaten Folien extrudiert und für den erfolgreichen Klebstoffauftrag langsam entwirrt. Nach dem Aufbringen der Klebefolie auf das Polymer werden die Schichten erhitzt und mit dem Aluminium laminiert. Ein solcher Prozess ist auf die Herstellung flacher Bleche zugeschnitten. Um die gewünschte Geometrie zu erreichen, wäre daher eine Pressformung erforderlich.

Sollte die Zwischenschicht reversibel sein, müsste eine mechanische Befestigung erfolgen. Der Mechanismus sollte so gewählt werden, dass die Zwischenschichtoberfläche glatt bleibt, um Spitzenspannungen an bestimmten Punkten zu vermeiden und eine vollständige Kontaktfläche zwischen den Blöcken und der Zwischenschicht zu ermöglichen. Eine Verbindung, die bündige Nieten oder Ringschnappverschlüsse imitiert, könnte angepasst werden, wobei die Nieten vor dem Formen platziert und gedrückt werden, um das Risiko einer Schrägstellung zu vermeiden. Während dieser Prozess zu einer recycelbaren Zwischenschicht führen würde, erfordert er von den Alternativen den arbeitsintensivsten.

Was die Dicke der Zwischenschicht betrifft, würde der weiche Kern aus Aluminium in Betracht gezogen, wenn die einzelne Aluminium-Zwischenschicht zu steif wäre. Daher sollte die zusätzliche Dicke beider Aluminiumbleche gleich oder kleiner als die Mindestdicke sein, was bedeutet, dass Bleche von 0,5 mm verwendet werden könnten. Die Dicke des weichen Kerns sollte ebenfalls recht gering sein, da eine größere Dicke die Gefahr des Kriechens erhöhen würde. Es wird eine Dicke von 2 mm vorgeschlagen, was einer Gesamtdicke von 3 mm entspricht.

Um die Montageüberlegungen zu untersuchen, wird eine dreigeschossige (9 m) Öffnung in einem bestehenden Gebäude mit einer umlaufenden Metallkonstruktion angenommen. Für die Fassade soll die formschlüssige Gussglasbausteinanordnung zum Einsatz kommen.

6.1. Detaillierungs- und Montageszenario 1: Zwischenschichten mit Kriechgefahr

Für die Forschung ist der Ausgangspunkt der Detaillierung eine Metallrahmenstruktur, in der die Glasblöcke platziert werden, wodurch sichergestellt wird, dass die Baugruppe über ein ausreichendes Randbeschränkungssystem verfügt. Im Folgenden werden der Montageprozess und spezifische Details für zwei verschiedene Szenarien dargestellt, basierend auf dem Kriechrisiko der Zwischenschichtmaterialien.

Für die kriechfähigen Zwischenschichten PETG (Vivak®), Neopren und laminiertes PU ist eine bauseitige Vorverdichtung der Fassade erforderlich. Dies geschieht, um Setzungen der Fassade zu vermeiden, die aufgrund des Zwischenschichtmaterials zwangsläufig allmählich auftreten würden. Stattdessen bringt die Vorkomprimierung der gesamten Baugruppe vor Ort die Zwischenschichten in eine Phase konsistenter struktureller Leistung und gewährleistet eine homogene Lastübertragung über die gesamte Baugruppe¹. Andernfalls würden aufgrund der unterschiedlichen Eigenlast zwischen der unteren und oberen Reihe die Dicke der Zwischenschicht sowie die Kontaktfläche große Schwankungen aufweisen. Der Zusammenbau und die Details für dieses Szenario werden unten dargestellt.

¹ Derzeit gibt es nur eine realisierte Trockenmontage-Glasblockstruktur (unter Verwendung eines Stahlstabgeflechts), die eine Vorkomprimierung erforderte: das Optical House in Japan. In diesem Fall wurde ein vorgewölbter Stahlträger verwendet.

1. Zusammenbau des Hauptstrukturrahmens: Zunächst werden die Rahmenelemente platziert, die das Randsystem der formschlüssigen Gussglasanordnung bilden. Um den erforderlichen Vordruck für die Zwischenlagen zu erreichen, wird der Oberbalken zunächst in eine höhere Position gebracht und später abgesenkt und gesichert.

2. Montage der unteren Details: Der Zweck des unteren Details besteht darin, die selbsttragende Baugruppe richtig zu platzieren und auszurichten. An der Hauptstruktur ist ein U-Träger zu befestigen, der als Schiene für das Gleiten der unteren Blöcke dient. Um das Gießen zusätzlicher Glasblöcke zu vermeiden, werden massive Metallblöcke so geformt, dass sie eine flache Unterseite und eine ineinandergreifende Oberseite haben. Mehrere Blöcke sind einem durchgehenden Basiselement vorzuziehen, da die Fragmentierung dazu beitragen kann, die einzelnen Einheiten mit höherer Präzision zu kalibrieren. Sobald alle massiven Metallblöcke platziert sind, werden Zwischenschichten darauf angebracht, bevor die Glasblöcke platziert werden, wie in Abb. 9 dargestellt. Für diese Studie wurde aufgrund der vergleichbaren thermischen Eigenschaften Titan als Material für die unteren Blöcke angenommen Ausdehnungskoeffizient (8,4-9,4*10-6/K) und hohe Druckfestigkeit (970 MPa) (Granta Design Limited 2019), obwohl je nach optischer Absicht auch andere Materialien in Betracht gezogen werden könnten.

3. Platzierung der Führungen: Der Verriegelungsmechanismus ist erst dann vollständig stabil, wenn sein Peripheriesystem ordnungsgemäß eingespannt ist. Darüber hinaus gewährleistet der Verriegelungsmechanismus zwar eine gewisse Selbstausrichtung, kann jedoch eine Exzentrizität während der Konstruktion nicht vollständig verhindern, weshalb während der gesamten Konstruktion ein zusätzliches Führungssystem erforderlich ist, unabhängig von den Eigenschaften des Zwischenschichtmaterials.

4. Platzierung der Glasblöcke: Für die seitliche Montage wird ein weiterer U-Träger vorgeschlagen, in den der Block eingeschlossen wird. Zum Schutz der Glasbausteine ​​benötigt der U-Träger innen ein weiches Polstermaterial (Abb. 10).

Idealerweise sollten die Glasbausteine ​​von den Rändern nach innen verlegt werden. Andernfalls sind die letzten zu platzierenden Blöcke Randblöcke, die in den seitlichen U-Träger geschoben werden müssen, was die Komplexität erhöht (Abb. 11). Alle Reihen außer der letzten Glassteinreihe sollten platziert werden.

5. Platzierung des oberen Blocks: Analog zum unteren Detail werden, um den Guss zusätzlicher Glasgeometrien zu vermeiden, für die obere Reihe Titan-Fräsblöcke vorgeschlagen, die von oben verschraubt werden. Die letzte Reihe Glasblöcke wird nicht so platziert, dass genügend Platz vorhanden ist, um die Titanblöcke mit dem oberen Balken zu verbinden (Abb. 11). Darüber hinaus hängt die Höhe, in der der Balken platziert werden soll, von der Amplitude des Verriegelungsmechanismus ab. Der Balken muss so platziert werden, dass eine Person die letzten Glasblöcke seitlich platzieren kann. Erst dann kann der Balken abgesenkt und in seiner endgültigen Position gesichert werden. Eventuell auftretende Fertigungstoleranzen können durch die Neupositionierung des Trägers ausgeglichen werden.

6. Platzierung der Glasblöcke:Die letzten Glasbausteine ​​können platziert werden.

7. Komprimierung vor Ort: Der Oberbalken kann demontiert und in seine endgültige Position abgesenkt werden. Um den wiederholten Einsatz eines Krans vor Ort zu vermeiden, werden die Träger während der gesamten Bauzeit mithilfe von Mitnehmern abgesenkt (Abb. 12). Die neue, niedrigere Position gewährleistet die zusätzliche Kompression, die erforderlich ist, um das Kriechen in den Zwischenschichten auszugleichen und die Baugruppe zu stabilisieren.

6.2. Detaillierungs- und Montageszenario 2: Zwischenschichten ohne Kriechrisiko

Bei Zwischenschichten, bei denen keine Kriechgefahr besteht, wie z. B. Aluminium und Weichkernaluminium, können höhere Baugruppen ins Visier genommen werden, da das Risiko einer Verformung geringer ist. Vor Ort ist noch eine geringfügige Kompression erforderlich, um die Struktur zu stabilisieren. Da die Kompression jedoch sehr gering ist, können die Balken an Ort und Stelle zusammengebaut werden und die ineinandergreifenden Blöcke füllen dann den Raum dazwischen. Der Montagevorgang wird Schritt für Schritt beschrieben. Wenn der Prozess mit dem von Szenario 1 identisch ist, wird nur ein kurzer Titel angegeben.

6.3. Überblick

Die beiden unterschiedlichen Montageabläufe sind zwar größtenteils sehr ähnlich, weisen jedoch bestimmte Hauptunterschiede auf, die sich aus der Neigung des Zwischenschichtmaterials zum Kriechen ergeben oder nicht.

Wenn bei der Zwischenschicht keine Kriechgefahr besteht, wird der Montageprozess erleichtert, da der obere Balken von Anfang an in seiner endgültigen Position platziert werden kann, wohingegen bei Kriechgefahr der Balken an einer höheren Position platziert werden muss Anschließend wird es abgesenkt, um die Baugruppe und die Zwischenlagen vor Ort zu verdichten. Dieser Prozess erfordert zusätzliche Ausrüstung (Mitnahme) und Arbeitskräfte. Wenn außerdem eine Zwischenschicht nicht kriecht, kann sich die ineinandergreifende Anordnung zu einer größeren Hülle ausdehnen.

Für die abschließende Bewertung des Fassadensystems mit unterschiedlichen Zwischenschichtmaterialien wurden folgende Kriterien berücksichtigt:

Dies bezieht sich auf den Zustand, in dem das Zwischenschichtmaterial auf der Baustelle ankommt (flach oder geformt), sowie auf den oben beschriebenen Fassadenmontageprozess (mit und ohne die Notwendigkeit einer Vorverdichtung).

Die Einfachheit der Herstellung betrifft die Herstellung, Dimensionierung, Formgebung und Nachbearbeitung der Zwischenschicht sowie die Toleranzfähigkeit der Zwischenschicht. Bei einer formbareren Zwischenschicht, die sich anpassen und Toleranzen aushalten kann, ist die Produktionsgenauigkeit nicht so kritisch wie bei einer härteren Zwischenschicht. In dieser Kategorie hat Neopren einen klaren Vorteil, da es nach der Herstellung nur noch geschnitten werden muss. Bei Aluminium muss die Formgebung sehr präzise sein, um der steiferen Beschaffenheit des Materials Rechnung zu tragen. Bei PETG (Vivak®) ist möglicherweise eine Nachbearbeitung (Schleifen) erforderlich, während für die Hybridzwischenschichten die aufwändigste Fertigung erforderlich ist.

Eine Glasfassade bringt gewisse optische Erwartungen mit sich, daher sollte das resultierende Erscheinungsbild nicht insgesamt außer Acht gelassen werden. Abhängig von den besprochenen Zwischenschichtmaterialien kann das visuelle Ergebnis sein: transparent, undurchsichtig und reflektierend. Von den Alternativen ist PETG (Vivak®) der einzige Kandidat, der zu einer vollständig transparenten Baugruppe führen kann, wobei der Blick ins Innere nahezu ungehindert ist. Der einzige Kandidat für eine undurchsichtige Zwischenschicht ist Neopren in seiner weißen Version, wobei das Ergebnis voraussichtlich dem optischen Eindruck bestehender, mit weißem Klebstoff verklebter Strukturen ähnelt, nämlich der Qwalala-Struktur (Paech, Goppert, 2018) und dem Qaammat-Pavillon (Oikonomopoulou et al., 2022). Alle Zwischenschichten mit Aluminium würden eine dominantere visuelle Präsenz haben.

Dies hängt von vielen Faktoren ab; die Materialien selbst, die erforderlichen Formgebungsprozesse, der Montageprozess sowie Schwankungen der Marktnachfrage. Eine detaillierte Kostenanalyse der gewählten Zwischenschichtmaterialien würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Es wird jedoch eine allgemeine Rangfolge präsentiert, die auf den Vergleichskosten des Materials, den Herstellungsprozessen und den Montageherausforderungen basiert, wobei anerkannt wird, dass diese je nach Markt zum Zeitpunkt der Konstruktion variieren können. Aufgrund des höheren Arbeits- und Materialaufwands für die Hybridzwischenschichten dürften sie die teuersten Alternativen sein. Neopren, das nach der Herstellung keiner weiteren Verarbeitung bedarf, sollte am kostengünstigsten sein.

Von den verschiedenen Zwischenschichtkandidaten scheinen die Alternativen PETG (Vivak®) und Aluminium die vielversprechendsten zu sein. Die Hybrid-Zwischenschichten erhöhen, wie bereits erwähnt, die Herstellungsschwierigkeiten und Kosten der Baugruppe erheblich, während die Neopren-Zwischenschicht den Montageprozess negativ beeinflusst. Der Vergleich in Abb. 14 umfasst auch herkömmliche Hohlglasblockanordnungen als Referenz, obwohl diese keine strukturelle Rolle spielen. Während die Tabelle einen soliden Hinweis auf die Stärken und Schwächen jeder Baugruppe bietet, ist für eine vollständige Bewertung eine strukturelle Validierung der trockenen Zwischenschichtmaterialien für ineinandergreifende Geometrien erforderlich, wie im folgenden Abschnitt beschrieben.

Das Ziel dieser Forschung besteht darin, die Wirkung verschiedener Zwischenschichtmaterialien auf die Leistung und das Konstruktionspotenzial einer trocken zusammengefügten, ineinandergreifenden Gussglasblockanordnung zu ermitteln. Diese Zwischenschicht sorgt für eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen den Glaskomponenten und gleicht die Mikrounebenheiten der Oberfläche aus, wodurch ein vorzeitiges Versagen verhindert wird. Vor dieser Forschung wurden nur begrenzte Untersuchungen zur Materialität der Zwischenschichten durchgeführt, da die ineinandergreifende Anordnung aus gegossenen Glasblöcken an sich eine neuartige Struktur darstellt.

Durch die Neudefinition der Leistungskriterien und eine umfassende Untersuchung verschiedener Materialien, die mit Glas oder als Zwischenschichten verwendet werden, wurden die Kandidaten auf Folgendes beschränkt: PETG (Vivak®), Neopren und Aluminium aus den Monomaterialfamilien sowie laminiertes PU und Soft- Kernaluminium als Hybridmaterialauswahl. Es wurde untersucht, inwieweit sich die einzigartigen Eigenschaften aller Materialien auf die Herstellung, Detaillierung und Montage der ineinandergreifenden Struktur auswirken.

Die vorliegende Untersuchung kommt bewusst nicht auf ein einziges geeignetes Zwischenschichtmaterial. Stattdessen führt die Untersuchung verschiedener Materialfamilien zu einem allgemeinen Leitfaden für die bei der Herstellung und Konstruktion der ineinandergreifenden Gussglasbaugruppe beeinflussten Parameter. Die Ursache und Wirkung von der Wahl des Zwischenschichtmaterials bis zur Endmontage ist in Abb. 15 dargestellt. Je nach Absicht und Priorität eines Projekts kann der am besten geeignete Weg eingeschlagen werden. Wenn beispielsweise ein hohes Maß an Transparenz erforderlich ist, ist PETG (Vivak®) am wahrscheinlichsten, um den Zweck zu erfüllen. Wenn man jedoch beabsichtigt, die ineinandergreifende Baugruppe an einer erweiterten Fassade anzubringen, wären Zwischenschichten zu empfehlen, bei denen keine Kriechgefahr besteht, wie z. B. Aluminium.

Somit dient Abb. 15 als Auswahlfahrplan, der Ingenieuren und Architekten anhand der priorisierten Kriterien der jeweiligen Fallstudie Orientierung für das am besten geeignete Material geben kann.

Was die Herstellung der Zwischenschicht betrifft, bestimmt jedes Material, welche Formgebungsmethode am besten geeignet ist, um die gewünschte Geometrie zu erreichen, und welche Dicke bevorzugt werden sollte. Bei Monomaterial-Zwischenschichten sind die Herstellungsverfahren recht üblich, während die Wahl einer Hybrid-Zwischenschicht eine erhöhte Komplexität mit sich bringen würde.

Bei der Berücksichtigung der unterschiedlichen Zwischenschichtmaterialien sind die Detaillierung und der Zusammenbau der ineinandergreifenden Struktur am stärksten betroffen. Die wichtigste Eigenschaft der Zwischenschichtkandidaten für diese Phase ist ihre Neigung zum Kriechen oder Nichtkriechen, was wiederum die Anforderungen an die gesamte Baugruppe definiert. Basierend auf den Materialeigenschaften werden zwei unterschiedliche Fälle analysiert.

Bei offensichtlicher Kriechgefahr (PETG (Vivak®), Neopren, laminiertes PU) muss die gesamte Baugruppe vor Ort zusätzlich verdichtet werden, um Setzungen der Fassade zu vermeiden, die aufgrund des Zwischenschichtmaterials zwangsläufig auftreten würden. Durch die Komprimierung der Glassteinwand vor Ort wird eine gleichbleibende strukturelle Leistung der Zwischenschichten und eine homogene Lastübertragung über die gesamte Baugruppe gewährleistet. Dazu muss der Oberbalken während des Baus seine Position ändern, was zusätzliche Ausrüstung erfordert. Da diese Zwischenschichten außerdem anfälliger für Knicke sind, ist die maximal zulässige Höhe der Baugruppe begrenzt. Ohne Kriechgefahr (Aluminium, Weichkern-Aluminium) kann sich die Baugruppe ausdehnen, was zu einer größeren tragenden Struktur führt.

Das offensichtlichste Ergebnis der Änderung des Zwischenschichtmaterials ist schließlich das Erscheinungsbild der Baugruppe. Die Wahl zwischen transparenten, undurchsichtigen oder reflektierenden Zwischenschichten hat unmittelbare Auswirkungen auf die Art und Weise, wie die Anordnung auf Licht reagiert, auf den Grad der Betonung der ineinandergreifenden Geometrie und auf das Gesamtgefühl der Fassade.

Aufgrund der Einschränkungen im Zusammenhang mit der Covid-19-Pandemie war es nicht möglich, während der Dauer der vorgestellten Forschung strukturelle Tests durchzuführen. Die wichtigste Empfehlung im Anschluss an diese Forschung wäre daher die Durchführung relevanter experimenteller Tests, die einen Hinweis darauf liefern würden, welche Materialfamilie für die jeweilige Baugruppe besser geeignet ist, da jede Materialfamilie in den vorgeschlagenen Alternativen vertreten ist. Zu den erwarteten Tests gehören die Prüfung flacher und geformter Zwischenschichten der gewünschten Enddicke unter statischer Belastung auf Kriechen, Schertests außerhalb der Ebene auf seitliche Belastungen und einachsige Tests höherer Baugruppen auf Biegung. Während Kriechen als bestimmende Materialeigenschaft für diese Forschung angesehen wurde, könnte die strukturelle Validierung der vorgeschlagenen Zwischenschichten zusätzliche Eigenschaften aufdecken, die sich auf die Anordnung auswirken. Da es sich bei der ineinandergreifenden Baugruppe um ein neuartiges System handelt, gibt es noch viele Aspekte, die weiter erforscht werden können. Die empfohlenen Validierungstests sind in Abb. 16 dargestellt.

In Bezug auf die Versammlung wurden die wichtigsten Punkte und Prinzipien hervorgehoben, die für eine solche Struktur von entscheidender Bedeutung sind. Abgesehen von selbsttragenden Hüllen kann die ineinandergreifende Baugruppe auch auf andere Druckelemente wie Säulen oder Bögen angewendet werden. Die Reversibilität des Systems macht einen solchen Aufbau auch für Restaurierungsprojekte zu einem vielversprechenden Vorschlag (Barou, 2016).

Abschließend sollten zusätzliche Untersuchungen der thermischen Leistung durchgeführt und als ergänzende Entwurfsparameter festgelegt werden. Die monolithische Beschaffenheit der Gussglasblöcke führt zu relativ schlechten Isoliereigenschaften und birgt ein hohes Risiko der Oberflächenkondensation.

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