TY - THES A1 - Sahellie, Samer T1 - Study on the temperature effect on lap shear adhesive joints in lightweight steel construction T1 - Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur auf geklebte Zug-Scher-Verbindungen in Stahlleichtbaukonstruktionen N2 - In line with the developments in steel industry, the methods of joining steel members have been developed; therefore, the configuration of functional connections with economic and partly-aesthetic advantages has become possible by the use of the known joining methods, which are bolts, rivets and welding. However, these joining methods do not accompany the further developments and requirements needed to construct lightweight connections or to join dissimilar materials or composite constructions. Moreover, the traditional joining methods do not fulfill the increased requirements of the aesthetics of the joints. In the field of steel constructions, structural engineers might use the bonding technique as an alternative method to join the lightweight steel members or as a helpful mean in the bolted or riveted joints in heavyweight steel structures. Despite the advantages of the adhesive bonding technique, the structural designers in the field of steel constructions are still not able to use it in their practical applications because of the doubts regarding the verifiability of bonded steel joints. This is mainly because of the lack of standards for verifying such joints in steel constructions. To facilitate using this technique in steel constructions, hard efforts have to be performed in order to find out the methods of verifications of bonded steel joints. This starts with understanding the behaviour of the adhesive materials as well as their cohesion ability to the steel surfaces over the whole lifetime of the structure and under all possible loading and environmental conditions. Afterward, the mechanical properties of the adhesives have to be presented by their reliable values that take into account all factors and conditions to which the bonded joint is subjected. These values have to be based on the reliability methods and consequently they are guaranteed for the intended lifetime of the designed structure. It is well known that the adhesives, being viscoelastic materials, are very sensitive to several factors such as the environmental effects, mainly temperature and humidity, and the long-term loading. The loss of strength and durability of adhesives materials, due to the mentioned factors, is an essential aspect that has to be determined and to be taken into account of the structural designers during the design process. For example, it is generally proven that the increase of temperature causes a decrease in the elastic (E) and (G) moduli, cohesive and adhesive forces within the joint and maximum stresses which can be carried by the joint. However, there is still a huge lack in describing the degradations of the mechanical properties quantitatively. Similarly, the failure in the adhesives, loaded for long time by a constant stress even less than their short-term strengths, is probable due to the well-known rheological phenomenon of viscoelastic materials which is the creep phenomenon. Moreover, the adhesives will creep at high temperatures faster; hence the failure will happen in a shorter time. Describing the long-term behaviour of the structural adhesives is still modest; therefore, the time-to-failure of bonded steel joints under long-term loading cannot be exactly predicted. This is an essential issue has to be dealt with to fulfill the requirements of employing the adhesive bonding technique in the structural fields including the steel constructions. The efficiency of using adhesive-bonded joints in steel constructions is higher when the adhesives in these joints are loaded in shear. In such shear joints, the lightweight steel members (adherends) are likely to yield before the break within the adhesive layer happens, especially when large bonded areas are used because the developed shear stresses over the most of these areas will be very small. This thesis deals with the temperature influence on the behaviour of two adhesive systems (acrylic and epoxy) and on the capacities of adhesively bonded lap shear joints. The temperature influence is quantitatively described for short-term loading over a service range of temperature from -20 °C to +40 °C. The quantitative description is done by proposing the partial factors and the conversion factors that take the temperature effect into account. This influence is also dealt with for long-term loading to describe the shear creep behaviour of the adhesive materials used. Consequently, the time-to-failure of the bonded lap shear joints due to the creep phenomenon of the adhesives under three applied stresses at room temperature is predicted. Moreover, the estimation of time-to-failure is extended to be used for other shear stress levels. The temperature influence as well as the efficiency of using adhesive-bonded joints in lightweight galvanized steel constructions is also illustrated by giving a practical example of strengthening cold-formed “C” section girders. Comparisons between the two adhesive systems for all cases are given. N2 - Im Einklang mit den Entwicklungen in der Stahlindustrie wurden die Methoden zum Verbinden von Stahlelementen entwickelt. Die Auslegung dieser funktionalen Verbindungen mit ihren ökonomischen und ästhetischen Vorteilen ist nur möglich geworden mit dem Einsatz des bereits vorhandenen Wissens über die Fügetechniken Schrauben, Nieten und Schweißen. Trotzdem begleiten diese Verbindungstechniken die weiteren Entwicklungen und die nötigen Anforderungen an Verbindungen in Leichtbaukonstruktionen, an das Fügen artfremder Werkstoffe oder bei Mischbauweisen, nicht. Im Bereich der Stahlkonstruktionen könnte die Klebtechnik, als eine alternative Methode zum Verbinden von Stahlleichtbauelementen oder als Hilfsmittel für Schraub- und Nietverbindungen im Falle von schweren Stahlkonstruktionen von Tragwerksplanern verwendet werden. Trotz der Vorteile der Klebtechnik sind die Tragwerksplaner noch nicht in der Lage, sie in der Praxis zu nutzen. Vor allem aber aufgrund der fehlenden Normen zur Verifikation der geklebten Stahlverbindungen. Um die Verwendung dieser Fügetechnologie im Stahlbau voranzutreiben, müssen große Bemühungen aufgewendet werden, Methoden zur Prüfungder geklebten Verbindungen zu finden. Dies beginnt mit dem Verständnis des Materialverhaltens von den Klebstoffen, sowie dessen Adhäsionsfähigkeit an Stahloberflächen über die gesamte Lebensdauer. Anschließend müssen zuverlässige Werte aller mechanischen Eigenschaften der Klebstoffe vorgelegt werden, die alle Einflüsse und Bedingungen berücksichtigen, die die Klebverbindung beanspruchen. Diese Werte müssen auf Zuverlässigkeitsmethoden beruhen und eine vorgesehene Lebensdauer der entworfenen Struktur garantieren. Es ist bereits bekannt, dass Klebstoffe aufgrund ihrer Viskoelastizität sehr empfindlich auf verschiedene Faktoren, vor allem Temperatur und Feuchtigkeit, und die Dauerbeanspruchung reagieren. Der Verlust an Festigkeit und Gebrauchstauglichkeit des Klebstoffes aufgrund der genannten Faktoren, ist ein wesentlicher Aspekt, der festgelegt und der während des Entwurfsprozesses des Tragwerksplaners bereits berücksichtigt werden muss. Zum Beispiel, ist im Allgemeinen nachgewiesen, dass die Erhöhung der Temperatur zur Abnahme des Elastizitäts- (E) und Schubmodule (G) führt, sowie zur Abnahme der kohäsiven und adhäsiven Kräfte, die durch die Verbindung übertagen werden können. Es gibt immer noch eine große Wissenslücke in der allgemeinen Beschreibung der Abnahme von mechanischen Eigenschaften. In ähnlicher Weise ist wahrscheinlich das Versagen der Klebstoffe, die unter Langzeitbelastung mit einem konstanten Spannungsniveau unterhalb der Spannungen bei Kurzzeitbelastung getestet sind durch das bereits bekannte rheologische Phänomen von viskoelastischen Materialien bedingt, nämlich das Kriechen. Ferner kriechen Klebstoffe bei hohen Temperaturen schneller, somit tritt das Versagen in kürzerer Zeit auf. Das Langzeitverhalten von strukturellen Klebstoffen ist nach wie vor mäßig beschrieben, deshalb kann das Versagen über die Zeit von geklebten Stahlverbindungen unter Langzeitbelastung nicht exakt vorhergesagt werden. Dies ist ein wesentlicher Kernpunkt, welcher für die Anforderungen an strukturellen Klebungen, wie z.B. im Stahlbau, berücksichtigt werden muss. Die Effizienz der Verwendung von Klebverbindungen im Stahlbau ist höher, wenn die Klebstoffe in diesen Verbindungen auf Schub beansprucht sind. In solchen auf Schub beanspruchten Verbindungen kann es früher zum Versagen der zusammenverbundenen Stahlteile (Fügeteile) als zum Versagen des Klebstoffes in der Klebfuge kommen. Vor allem, wenn große Klebflächen benutzt werden, da die auftretenden Scherspannungen über die meisten dieser Bereiche sehr klein sind. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Temperatureinfluss auf das Verhalten von zwei Klebstoffsystemen (Acrylat-und Epoxysystem) und mit der Kapazität der geklebten überlappten Klebverbindungen. Der Temperatureinfluss wird quantitativ für Kurzzeitbelastungen über einen Temperaturbereich von -20 °C bis +40 °C beschrieben. Die quantitative Beschreibung wird mit Hilfe von Teilsicherheits- und Umrechnungskoeffizienten für Temperaturauswirkungen durchgeführt, die den Temperatureinfluss in Betracht ziehen. Dieser Einfluss wird ebenfalls für die Dauerbeanspruchungbehandelt, um das Kriechverhaltender verwendeten Klebstoffsysteme zu beschreiben. Infolgedessen wird die Zeit bis zum Versagen der überlappten Klebverbindung durchdas "Kriechphänomens"des Klebstoffes, unter drei angelegten Spannungen und bei Raumtemperatur vorhersagt. Darüber hinaus wird die Schätzung der Zeit bis zum Versagen auch für andere Scherspannungsniveaus erweitert. Der Einfluss der Temperatur sowie die Effizienz der Verwendung von Klebverbindungen auf verzinkte Stahlkonstruktionen im Stahlleichtbau wird ebenfalls mit einem praktischen Beispiel der Verstärkung von einem kaltgeformten C-Träger dargestellt. Schließlich werden Vergleiche zwischen beiden Klebstoffsystemen angegeben. T3 - Schriftenreihe Stahlbau - 9 KW - Bonded steel joints KW - Temperature effect KW - Structural adhesives KW - Short and long-term loading KW - Shear strength KW - Geklebte Stahlverbindungen KW - Temperatureffekt KW - Strukturelle Klebstoffe KW - Kurz- und Langzeitverhalten KW - Schubspannung Y1 - 2015 UR - https://opus4.kobv.de/opus4-btu/frontdoor/index/index/docId/3515 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35153 SN - 1611-5023 ER -