Finite Elemente Berechnungen von Structural Glazing Elementen im Bauwesen und geklebten Frontscheiben im Automobilbau - ein Vergleich

21. Internationales Klebtechnik-Symposium: Verbindungstechnik im Bauwesen

14. Januar 2003

Dipl.-Ing. Thorsten Böger

Dr.-Ing. Gerhard Schmöller

Abstract

Die Klebtechnik wird aufgrund zahlreicher technologischer und wirtschaftlicher Vorteile und der Weiterentwicklung der Klebstoffe im Bauwesen und im Maschinenbau zunehmend eingesetzt. Dabei wird insbesondere dem strukturellen Kleben als zukunftsfähigem Fügeverfahren mit zahlreichen Funktionsvereinigungen der Vorzug gegeben.

In diesem Vortrag werden anhand von Beispielen aus dem Bauwesen (Structural Glazing) und dem Automobilbau (Direktverglasung, z. B. geklebte Frontscheibe) aus Sicht des Maschinenbauingenieurs die Möglichkeiten von FE-Simulationen beschrieben.

Im Bauwesen wird das Structural Glazing seit einigen Jahren europaweit erfolgreich eingesetzt. Die dabei verwendeten Klebstoffe sind aufgrund ihrer hervorragenden Alterungsbeständigkeit und ihrem breitem Haftungsspektrum durchweg Silicone, die klassischerweise als reine Dichtstoffe Anwendung finden. Die Dimensionierung erfolgt über analytische Ansätze und Bemessungsfaktoren, die auf langjährigen Erfahrungen beruhen. Es kommen genormte Kleinteilproben und bauteilähnliche Prüfkörper zum Einsatz (Kennwerte, Bruchverhalten, Alterung). Die Fassadensysteme unterliegen baurechtlichen Abnahmeprüfungen.

Im Automobilbau ist die Direktverglasung eine typische klebtechnische Anwendung, bei der Front- und Heckscheibe in die Karosserie eingeklebt werden. Die Vorteile sind neben der erhöhten Torsionssteifigkeit der Karosserie die kombinierte Dichtwirkung und die akustische Dämpfung. Die Kennwertermittlung und die Charakterisierung der Verbundeigenschaften erfolgen hier ebenfalls an genormten Kleinteilproben und bauteilähnlichen Prüfkörpern. Die Bauteilauslegung erfolgt heute weitgehend mittels FEM ("digitales Automobil"). Simulationen unterschiedlicher Lastfälle und daraus ableitbare konstruktive Verbesserungen helfen, eine Direktverglasung mit massgeschneiderten Eigenschaften herzustellen.

Strukturelle Klebungen werden im Automobilbau im allgemeinen mit Epoxidharzsystemen ausgeführt, die über einen hohen Schubmodul verfügen. Die Klebschichtdicken liegen im Bereich von einigen Zehntel Millimetern. Für Scheibenverklebungen können diese Klebstoffe nicht zum Einsatz kommen, da bei größeren Verwindungen der Karosserie (einseitiges Bordsteinparken) infolge der geringen Nachgiebigkeit der Verbindung kritische Spannungsspitzen entstehen, die zum Scheibenbruch führen können. Diese Problematik kann durch eine höhere Nachgiebigkeit des Verbunds (geringerer Schubmodul des Klebstoffs) und größere Klebschichtdicken (Relativbewegungen in der Fuge) entschärft werden. Dazu kommen PUR-Scheibenklebstoffe (Schubmodul ca. 3 MPa) mit Klebschichtdicken in der Größenordnung von 5 mm zum Einsatz. Somit ist die relativ starre Scheibe über die angepasste Nachgiebigkeit der Verbindung in die tragende Struktur der Karosserie integriert (semi-strukturelles Kleben). Diese Aspekte lassen sich auf das "Structural Sealant Glazing" (offizielle Bezeichnung) übertragen (nochmals geringerer Schubmodul der Silicone, Klebschichtdicken ca. 7 mm).

Im Folgenden werden relevante Aspekte zu beiden Anwendungen beschrieben und die Möglichkeiten von FE-Simulationen verglichen.