Design and monitoring of cold bent lamination-stabilised glass : investigated by applying fibre optic sensors

Abstract

Continuously curved, highly transparent façades or roofs are increasingly demanded in architecture. Regularly curved or free-form building envelope shapes represent a rapidly growing market field in construction and project design. For such transparent roof or façade claddings, the necessary durability, strength and safety require laminated safety glass as the principle material. Whereas the faceting of curved surfaces to apply planar glass elements is a frequently used cladding solution, the employment of curved glass modules permits a more precise, smooth achievement of curved envelopes. Recent improvements in the industrialised fabrication of curved glass render the use of such elements increasingly attractive. The two main, but different, production methods to shape these modules are the heat bending and cold bending of glass. Plastic heat bending results in a stable glass shape permitting high curvature. However, any potential optical surface bumps, any remaining irregular local interior stress from production and the limited applicability of toughened glass impose restrictions on the use of heat bent glass. In contrast, elastic cold bending only allows for low curvature but provides high optical surface quality and permits the unrestricted use of toughened glass. Stabilisation of the curved shape of cold bent glass without a retaining substructure can be achieved through the establishment of a shear compound of several elastically bent glass panes via lamination with polymeric interlayers. The bending stress remains in the glass. Despite the potential of this type of cold bent glass for construction purposes, comprehensive research approaches and the necessary stress- and shape-monitoring methods for glass laminates are lacking. Therefore, the characteristic properties and parameters influencing manufacture, the short- and long-term behaviour of cold bent glass, applicable numerical form-finding models and shape- and interior stress-monitoring methods have been investigated in the present work. The testing of real scale cold bent glass specimens with respect to displacement and stress permits the verification of the analyses. Close range photogrammetry has been applied to measure the three-dimensional shape and recovery behaviour of bent laminates. A new method for permanent real-time monitoring of the interior stress in the laminate by applying thin, barely visible, fibre-optical Bragg-grating sensors with transparent adhesive bonding has been developed. Fibre optical sensing has been examined and evaluated and is discussed as a possible monitoring system applicable to multi-layered glass units. Based on the accumulated modelling and testing results, information regarding the behaviour and the design of cold bent lamination-stabilised glass and the potential of fibre-optical monitoring for glass laminates is provided as a working basis in the conclusion to this work.

Angesichts der zunehmenden Bedeutung der Freiformarchitektur wächst bei Bauherren, Planern und Herstellern die Nachfrage nach Lösungen für kontinuierlich gekrümmte, transparente Gebäudehüllen. Dabei ist Verbundsicherheitsglas aufgrund der Ansprüche an die Widerstandsfähigkeit, Sicherheit und Dauerhaftigkeit das primäre Konstruktionsmaterial. Die häufig verwendete Methode, gekrümmte Fassaden oder Dächer zu facettieren, um plane Glasbauteile zur Eindeckung verwenden zu können, steht jedoch im Widerspruch zu den gewünschten fließenden, sanft gekrümmten Formen. Ein Erreichen dieses Ziels ist hingegen durch den Einsatz gekrümmter Gläser möglich, die durch neue oder weiterentwickelte Fertigungstechniken in der Glasveredelung immer präziser hergestellt werden können. Plastische Heißverformung von Glas ermöglicht große und verschiedenartige Krümmungen, durch das Herstellungsverfahren können jedoch optische Unregelmäßigkeiten der Glasoberflächen und lokale, eingeprägte Spannungen im Glas entstehen. Abhängig von der Krümmung und Fertigungsart kann teilweise kein thermisch vorgespanntes Glas verwendet werden. Beim Kaltbiegen hingegen sind teilvorgespanntes und Einscheibensicherheitsglas beliebig anwendbar. Die erzielbaren Krümmungen sind begrenzt, es wird aber eine hohe optische Oberflächenqualität des Glases erzielt. Besonders interessant ist das Verfahren des Kaltbiegens mit Krümmungserhalt durch Herstellung eines Schubverbunds zwischen den einzelnen, gebogenen Gläsern per Lamination mittels Polymer-Zwischenschichten. Die Biegespannungen bleiben im Glas erhalten. Für diese Gläser kann möglicherweise auf eine architektonisch störende, formerhaltende Unterkonstruktion verzichtet werden. Übergreifende Forschungsansätze für solche kaltgebogenen, laminationsstabilisierten Glaslaminate fehlen noch weitgehend. Eine weitere Einschränkung stellt die mangelnde Verfügbarkeit von anwendbaren Messmethoden zur Kontrolle der Formgebung und der eingeschlossenen Spannungen dar. In der vorliegenden Arbeit werden daher zunächst die charakteristischen Eigenschaften und die bei der Herstellung, Formgebung und im Langzeitverhalten einflussnehmenden Parameter von kalt gebogenen, laminationsstabilisierten Verbundgläsern untersucht. Numerische Modelle zur Analyse und Formfindung sowie Ansätze zum Monitoring der Spannungen sowie der dreidimensionalen Form der Gläser werden entwickelt und durch Versuche an realmaßstäblichen, kalt gebogenen Gläsern überprüft. Zur Beobachtung der Krümmungsform und des Rückstellverhaltens der Glaslaminate kommt ein photogrammetrisches Verfahren zum Einsatz. Erstmalig werden für die dauerhafte Erfassung von Oberflächenspannungen des Glases in den Schichten des Laminats faseroptische Sensoren mit Bragg-Gittern eingesetzt und Applikationsverfahren mit transparenten Klebstoffen entwickelt. Die Ergebnisse der Arbeit stellen auf Grundlage vorgenommenen Untersuchungen eine Arbeitsbasis betreffend das Verhalten, die prinzipiellen Parameter und die Modellierung kalt gebogener, laminationsstabilisierter Gläser sowie für das Monitoring mit faseroptischen Sensoren bereit.