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Reliability of structural sealant glazing systems - Potentials of performance-related durability testing

Wallau, Wilma

Structural sealant glazing (SSG) systems are a widespread adhesive bonding technology in glass facade engineering. The structural bond between the facade element and the substructure is often applied circumferentially and is commonly formed by a rubber-like two-component filled silicone elastomer. The thick, hyper-elastic bond is designed to absorb mechanical stress and strain due to wind pressure or suction, gravity, vibrations, thermal dilatation, and other loads. Compared with clamped window systems or point fixing systems, which conduct heat and cause accumulation of stresses in the glass pane, SSG-systems relief stresses and reduce heat transfer. For taking full advantage of the technology, SSG-systems therefore ideally omit retaining devices and mechanical self-weight support of the glass panes. In this case, durability of the structural bond is not only beneficial but instead necessary, as bond failure can be fatal in case of panes dropping from great heights. During its service life, the silicone bonds are exposed to climatic, chemical, and mechanical loads. At these loading conditions, the reliable performance and durability of the bonds are required for safety and for sustainability reasons. The question as to how the durability of SSG-systems can be assessed reliably is particularly relevant for approval of facade designs by building authorities. Conventional durability assessment of structural sealant joints is based on separated weathering tests and empirical fatigue testing. This dissertation deals with a newly developed test methodology for performance and durability assessment of SSG-joints at simultaneous weathering and mechanical loading. Test samples, resembling a common SSG-joint, are exposed to combined loading in a custom-designed test facility. The climatic and mechanical load functions are derived from common loading scenarios according to a worst-case approach. Two-dimensional sinusoidal load cycles subject the system specimens to tensile, compression and shear strain. Weathering comprises temperature and humidity cycles, UV-radiation, and application of water and detergent. During combined loading, the displacement and force signals are continuously measured for each system specimen. From the recorded mechanical system response, characteristic parameters like elastic moduli and dissipated energies are evaluated to assess the performance of the structural bond at varying climatic and mechanical conditions. Experimental results show a sensitivity of the system response towards ambient conditions, previous loading, and deformation amplitude peaks. The elastic moduli and dissipated energies decrease during exposure, indicating effects of dynamic stress relaxation and degradation. Hardness measurements and visual inspections of the bond regularly during exposure confirm these effects. After exposure, small-scale specimens are water jet cut from the differently exposed system specimens. Tensile and shear strengths and moduli of specimens are notably smaller after combined exposure compared with those of the non-exposed reference and weathered specimens. Along with engineering mechanical parameters, which characterise the performance and integrity of the bond, other methods reveal characteristics of the filled silicone sealant that could be affected by combined exposure. This dissertation studies how the material characteristics of two common structural sealants are affected by laboratory and field exposure. Results from TGA, FTIR-spectroscopy, DSC and SAXS/WAXS show differences between the two sealants and indicate no/minor changes in the composition and morphology of the laboratory and field exposed sealants. Mechanical characterisation methods, such as DMA, and tensile and shear testing of the structural bond, are shown to be sensitive towards the combined climatic and mechanical loadings. Mechanical characterisation methods are hence suitable for studying degradation mechanisms of structural sealants. This dissertation further discusses in which way the performance-related durability test that applies simultaneous climatic and mechanical loading can contribute to improve the reliability and performance of SSG-systems.
Structural Sealant Glazing (SSG) bezeichnet eine weltweit verbreitete Klebetechnik im Glasfassadenbau. Dabei werden die Fassadenelemente über eine tragende Klebeverbindung mit der metallenen Unterkonstruktion verbunden. Die lineare, oft umlaufende Klebefuge wird mit für diesen Zweck entwickelten gummiähnlichen Silikonen realisiert. Durch deren hyperelastisches mechanisches Verhalten können die dick ausgeführten Klebefugen Spannungen und Verformungen aufnehmen, die u.a. aus Windlasten (Zug und Druck), Gravitation, Dilatation der Komponenten und Vibrationen resultieren. Anders als Punkthalterungen und Fensterrahmungen, die Wärmebrücken darstellen und zum Aufbau von Spannungen in den Glasscheiben führen, zeichnen sich SSG-Systeme durch den Abbau von Spannungen im Glas und einen relativ niedrigen Wärmedurchgang aus. Diese Vorteile lassen sich ausnutzen, wenn auf weitere oftmals metallene Bauteile zum Eigengewichtabtrag und zur Sicherung der Fassadenelemente verzichtet wird. In diesen Fällen ist es allerdings zwingend notwendig die Dauerhaftigkeit der tragenden Klebefugen zu garantieren, da ein Fugenversagen mit dem Abstürzen der Fassadenelemente und schweren Unfällen einhergehen kann. Während ihrer Lebensdauer sind die Klebefugen klimatischen, mechanischen und chemischen Lasten ausgesetzt. Für ein sicheres und nachhaltiges Bauen, müssen SSG-Systeme unter diesen Lastbedingungen die erforderlichen Gebrauchs- und Dauerhaftigkeitseigenschaften aufweisen. Die Frage, wie die Dauerhaftigkeit verlässlich getestet werden kann, ist besonders für die Zulassung der Bautechnik relevant. Bisher verlassen sich Dauerhaftigkeitsuntersuchungen auf separate Alterungs- und Ermüdungstests. Es kann davon ausgegangen werden, dass eine Kombination von Bewitterung und mechanischer Beanspruchung zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit von Dauerhaftigkeitstests beitragen kann. Diese Dissertation stellt einen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung\linebreak (BAM) entwickelten Dauerhaftigkeitstest vor, der erstmals realen SSG-Fugen entlehnte Systemprobekörper simultan mechanischen und klimatischen Lasten aussetzt. Diese Lasten wurden an realen Beanspruchungen orientiert und entsprechend eines Worst Case Ansatzes bestimmt. Die mechanische Beanspruchung beinhaltet zweidimensionale, weggeregelte Lastzyklen, die Zug-, Druck- und Schubverformungen aufbringen. Die Bewitterung umfasst zyklische Änderungen der Temperatur und Feuchte sowie das Aufbringen von UV-Strahlung, Wasser und Reinigungsmittel. Während der kombinierten Beanspruchung in einer eigens entwickelten Testapparatur geben die kontinuierlich gemessen Kraft- und Wegsignale Aufschluss über das Gebrauchsverhalten der Klebefuge. Aus den aufgezeichneten Signalen wird das dynamisch-mechanische Verhalten der Systemprobekörper bei verschiedenen Beanspruchungen und Umgebungsbedingungen berechnet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen Einflüsse der Umgebungsbedingungen, der vorangegangenen Beanspruchung und der Amplitude. Die komplexen Moduln und dissipierten Energien nehmen durch dynamische Spannungsrelaxation und Degradation mit der Beanspruchungszeit ab. Härtemessungen und optische Untersuchungen der Fuge, die während Unterbrechungen der kombinierten Beanspruchung unternommen wurden, bestätigen diese Effekte. Nach der Beanspruchung werden Zug- und Schubfestigkeitstests an wasserstrahl-geschnittenen Fugensegmenten von verschieden exponierten Systemprobekörpern unternommen. Anhand dieser Tests wird die Dauerhaftigkeit entsprechend aktuellen Richtlinien bewertet. Die Zug- und Schubfestigkeiten und -moduln der kombiniert beanspruchten Proben sind deutlich niedriger als jene unbeanspruchter und lediglich bewitterter Proben. Außerdem wird untersucht, wie sich die kombinierte Beanspruchung im Labor und im Feld auf das Silikonmaterial auswirkt. Ziel ist es, sensitive Charakterisierungsmethoden zu identifizieren, die sich zur weitergehenden Untersuchung von Alterungs- und Ermüdungsvorgängen einsetzen lassen. Ergebnisse von TGA, FTIR, DSC und SAXS/WASX unterscheiden sich zwar für die zwei untersuchten SSG-Silikone, zeigen jedoch keine oder geringfügige Einflüsse der Beanspruchung auf deren Morphologie und Zusammensetzung. Ergebnisse von DMA hingegen bestätigen Einflüsse der kombinierten Beanspruchungen auf die dynamisch-mechanischen Eigenschaften der Silikonelastomere, wie sie auch Zug- und Schubversuche der Verbundprobekörper zeigen. Somit erweisen sich besonders mechanische Charakterisierungsmethoden als geeignet, um die Degradation von SSG-Klebefugen und -Silikonen zu analysieren. Darüber hinaus diskutiert diese Dissertation inwieweit der vorgestellte Dauerhaftigkeitstest dazu beitragen kann, die Zuverlässigkeit und das Gebrauchsverhalten von SSG-Systemen zu verbessern.