Vibration is an inherent phenomenon in dynamic mechanical systems. The work undertaken in this thesis is to identify natural frequencies of a variable length blade. Therefore designers can ensure that natural frequencies will not be close to the frequency (or integer multiples) of the main excitation forces in order to avoid resonance. For a wind turbine blade, the frequency range between 0.5 Hz and 30 Hz is relevant. The turbine blade is approximated by a cantilever, therefore, it is fully constrained where attached to a turbine shaft/hub. Flap-wise, edge-wise and torsional natural frequencies are calculated. The MATLAB program “BEAMANALYSIS.m” has been developed for the finite element analysis of a one dimensional model of the beam. Similarly, a three dimensional model of the beam has been developed in a finite element program Unigraphics NX5. The results found using the MATLAB program are compared with those found with NX5. Satisfactory agreement between the results is found for frequencies up to almost 500 Hz. Additionally, the frequencies one might expect in an experiment are identified. Experimental modal analysis has been performed on a uniform and stepped beam made of mild steel to extract the first five flap-wise natural frequencies. The results found have been compared to numerical results and the exact solution of an Euler-Bernoulli beam. Concurrence is found for the frequency range of interest. Although, some discrepancies exist at higher frequencies (above 500 Hz), finite element analysis proves to be reliable for calculating natural frequencies. Finally, the fixed portion and moveable portion of the variable length blade are approximated respectively by a hollow and a solid beam which can be slid in and out. Ten different configurations of the variable length blade, representing ten different positions of the moveable portion are investigated. A MATLAB program named VARIBLADEANALYSIS.m was developed to predict natural frequencies. Similarly three dimensional models of the variable length blade have been developed in the finite element program Unigraphics NX5. / This work was supported by the Research office of CPUT.

Photogrammetrische Methoden gewinnen zunehmend an Bedeutung im bau­tech­nischen Versuchswesen. Die Auswertung von Bildsequenzen ermöglicht eine kontakt­lose, flächenhafte, hochaufgelöste und hochgenaue Veränderungs­detek­tion von Ober­flächen in der Materialprüfung und Bauwerksüberwachung. Diese Arbeit behan­delt einige Aspekte der Deformationsanalyse auf Basis von Bild­sequenzen mit Hilfe triangulierter Verschiebungsfelder. Zunächst wird auf Unter­suchungen zu Defor­ma­tionen ebener Objektoberflächen, die mit mono­kularen Bild­sequenzen beo­bachtet wurden, eingegangen. Im weiteren Verlauf wird auf Stereobildsequenzen über­ge­gangen, die Deformations­mes­sungen für beliebige Ober­flächen erlauben. Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, wie Verschiebungsfelder in monokularen Bild­sequenzen bestimmt werden können. Die Bildpunkte, an welche die Verschie­bungen geknüpft sind, werden zu einem Dreiecksnetz trianguliert. Jedes einzelne Dreieck wird auf Änderungen zu der Referenzepoche, die als die erste Epoche ohne jegliche Defor­mation definiert ist, untersucht. Ein gängiges Verfahren zur Analyse solcher Verän­derungen ist die Berechnung von Haupt­dehnungen für jedes Dreieck. Schwell­werte können zur Erkennung deformierter Bereiche und die farbkodierte Darstellung der Hauptdehnungen für eine visuelle Betrachtung genutzt werden. In den räumlich verteilten Hauptdehnungen sowie im zeitlichen Ablauf treten Rausch­effekte auf. Deshalb werden verschiedene Filtermethoden zur Rausch­unter­drückung untersucht. Dabei kommt ein Filter zum Einsatz, der gleichzeitig in der räumlichen sowie der zeitlichen Dimension filtert. Es werden aber auch Filter unter­sucht, die in beiden Dimensionen getrennt filtern. Aus den Hauptdehnungen können nicht direkt Rissbreiten abgeleitet werden. Diese spielen für die Materialprüfung im Bauwesen allerdings eine wichtige Rolle, wes­wegen sich diese Arbeit auch mit der Berechnung von Riss­breiten in Dreiecks­netzen befasst. Als deformierte Dreiecke werden diejenigen detektiert, deren Hauptdehnung einen Schwellwert überschreiten. Für diese Kandidaten werden im Folgenden Rissbreiten bestimmt. Drei verschiedene Verfahren für die Ermittlung von Rissbreiten werden vorgestellt und verglichen. Die Dehnbarkeit faserbewehrter Komposite, die unter anderem zur Verstärkung von Mauern und anderen Bauwerken verwendet werden, wird bei Belastung durch die Bildung multipler Rissstrukturen gewährleistet. Auf Grund dessen widmet sich ein weiterer Teil der Dissertation der Auswertung multipler Riss­strukturen. Hierzu werden dichte Verschiebungsfelder berechnet. Dann wird zunächst eine Auswahl der verfolgten Punkte genutzt, um ein grobes Dreiecks­netz zu generieren. Deformierte Dreiecke der ausgedünnten triangu­lierten Punktmenge werden mit dem Betrag des relativen Trans­lations­vektors, der als Deformations­maß eingeführt wird, detektiert. Eine iterative Verdichtung des Dreiecknetzes in defor­mierten Bereichen ermöglicht die Auswertung enger Riss­muster. Zudem erlaubt eine Ausgleichung, dass nicht-triangulierte Punkte des dichten Verschie­bungs­feldes in die Rissbreiten­berechnung einbe­zogen werden können. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit ist die Betrachtung unebener Oberflächen, die mit Stereokamerasystemen beobachtet werden. Dazu werden die Algorithmen für die zweidimensionale Auswertung entsprechend übertragen und erweitert. Auf Basis von Verschiebungsfeldern dreidimensionaler Punkte wird auch hier ein Dreiecksnetz zur Änderungsdetektion genutzt. So wird am Beispiel von dynamischen Dehnungstests an zylindrischen Probe­körpern ein Algorithmus zur Rissbreitenmessung auf nicht ebenen Ober­flächen vorge­stellt. Dabei wird angenommen, dass die Defor­mationen ausschließlich tangential zur Oberfläche auftreten. Dies erlaubt die Transformation (Kongruenz­abbildung) der Dreiecke in einen zwei­dimen­sionalen Raum und auch eine zwei­dimensionale Auswertung. Außerdem wird eine Methode zur Berechnung des dreidimensionalen Riss­öffnungs­vektors präsentiert. Dieses Verfahren ist eine Erweiterung zum vorher­gehenden Algorithmus und erlaubt zudem die Vermessung vertikaler Defor­ma­tionen. Defor­mierte Dreiecke im trian­gulierten dreidimensionalen Verschie­bungs­feld werden mit Hilfe des zwei­dimen­sionalen Relativ­translations­vektor­betrags der in den zwei­dimen­sionalen Raum transformierten Dreiecke detek­tiert. Anschließend folgt für alle defor­mierten Dreiecke durch Hinzunahme min­des­tens eines undeformierten Nachbar­dreiecks die Berechnung eines drei­dimen­sionalen relativen Trans­lations­vektors, mit Hilfe dessen die Komponenten des Riss­öffnungsvektors ermittelt werden.:Kurzfassung iii Abstract v 1. Einführung 1 1.1. Struktur der Arbeit 1 1.2. Motivation 2 1.3. Verwandte Arbeiten 4 1.4. Ziele der Arbeit 7 2. Photogrammetrische Deformationsmessung in monokularen Bildsequenzen 8 2.1. Filtermethoden in Dreiecksnetzen 9 2.2. Rissbreitenberechnung mit Hilfe von Dreiecksnetzen 19 2.3. Strategie zur Rissbreitenmessung für multiple Rissstrukturen 29 3. Photogrammetrische Deformationsmessung in Stereobildsequenzen 50 3.1. Rissbreitenberechnung für tangentiale Deformationen auf nicht ebenen Oberflächen mit gegebenem 3D-Verschiebungsfeld 51 3.2. Berechnung des dreidimensionalen Rissöffnungsvektors bei gegebenem 3D-Verschiebungsfeld 59 4. Diskussion 70 5. Ausblick 77 5.1. Bestimmung der Anzahl der Risse 77 5.2. Rissspitzenbestimmung und -verfolgung 78 5.3. Anwendung der entwickelten Algorithmen auf Voxeldaten 78 5.4. Modellerweiterung durch Relativrotation 82 5.5. Genauigkeitssteigerungen für die Rissposition 82 5.6 Verbesserung der Rissnormalenschätzung 82 Literaturverzeichnis 83 Abkürzungsverzeichnis 89 Tabellenverzeichnis 90 Abbildungsverzeichnis 90 / Photogrammetric methods are gaining importance in civil engineering material testing and structural health monitoring. The analysis of image sequences ensures an extensive change detection of surfaces with a high spatial resolution and a high accuracy. This thesis deals with some aspects of deformation analysis based on image sequences and triangulated displacement fields. At the beginning, the examination of planar surfaces of specimens observed with monocular image sequences is considered. Later, a transition to stereo image sequences is given because they allow a deformation measurement of arbitrary surfaces. The first part of the thesis shows how to derive displacement fields from monocular image sequences. The matching points corresponding to the displace­ments are triangulated into a mesh. Each triangle is compared to the reference epoch which is defined as the first time epoch under zero load without any deformation. As a current method, principal strains are used to detect deformations. Thresholds can be used to find deformed areas. In addition, color-coded maps of the principal strains are helpful for a visual detection. In the field of the principal strains, noise effects appear in the spatial as well as in the temporal domain. Therefore, different filter methods are applied to reduce noise. In addition to filter techniques that are applied independently in the time and the spatial domain, a combined spatio-temporal filter is tested. Crack widths cannot be derived directly from principal strains but crack widths are an important issue in civil engineering material testing. For this reason, this thesis also gives attention to the computation of crack widths in triangle meshes. The principal strains of the triangles are tested for exceeding a threshold to detect deformed triangles. For the deformed triangles, crack widths are computed. Three different methods for the crack width determination are presented and compared. Multiple cracking ensures the ductility of loaded fiber-reinforced composites used to strengthen walls among other things. Therefore, another part of the dissertation deals with the photogrammetric analysis of multiple crack patterns. Herein, dense displacement fields are computed. Then, a thinned-out set of points is triangulated into a mesh. For each triangle, the norm of the relative translations vector defined as a new quantity to detect deformations is deter­mined and used to find cracked triangles. The mesh is densified iteratively in deformed areas to ensure an analysis of narrow crack structures. In addition, a least squares algorithm is presented which allows that points of the displace­ment field, that are not part of the mesh, can be included in the crack width computation. A further part of the dissertation deals with non-planar surfaces observed with stereo camera systems. The algorithms of the two dimensional analysis are adapted and extended to use them for these applications. These methods are based on three dimensional displacement fields and also use triangle meshes to detect deformed areas. One algorithm concentrates on the crack width measurement of non-planar surfaces with deformations that are only tangential to the surface. The method is applied on a cylindrical specimen in a dynamic tension test. The assumption that deformations are tangential to the surface allows the transformation of the triangles in the two dimensional space and also a two dimensional analysis. In addition, an algorithm for the computation of the three dimensional crack opening vectors is presented. This method is an extension to the foregoing algorithm and is capable of measuring vertical deformations. To find deformed triangles in the triangulated three dimensional displacement field, the triangles are transformed in the two dimensional space in a first step. In a second step, the norm of the two dimensional relative translation vector is determined and tested if it exceeds a threshold. In the following, for each deformed triangle, the three dimensional relative translation vector is computed using a undeformed neighbor triangle. At the end, the three dimensional relative translation vectors can be transformed to the crack opening vectors.:Kurzfassung iii Abstract v 1. Einführung 1 1.1. Struktur der Arbeit 1 1.2. Motivation 2 1.3. Verwandte Arbeiten 4 1.4. Ziele der Arbeit 7 2. Photogrammetrische Deformationsmessung in monokularen Bildsequenzen 8 2.1. Filtermethoden in Dreiecksnetzen 9 2.2. Rissbreitenberechnung mit Hilfe von Dreiecksnetzen 19 2.3. Strategie zur Rissbreitenmessung für multiple Rissstrukturen 29 3. Photogrammetrische Deformationsmessung in Stereobildsequenzen 50 3.1. Rissbreitenberechnung für tangentiale Deformationen auf nicht ebenen Oberflächen mit gegebenem 3D-Verschiebungsfeld 51 3.2. Berechnung des dreidimensionalen Rissöffnungsvektors bei gegebenem 3D-Verschiebungsfeld 59 4. Diskussion 70 5. Ausblick 77 5.1. Bestimmung der Anzahl der Risse 77 5.2. Rissspitzenbestimmung und -verfolgung 78 5.3. Anwendung der entwickelten Algorithmen auf Voxeldaten 78 5.4. Modellerweiterung durch Relativrotation 82 5.5. Genauigkeitssteigerungen für die Rissposition 82 5.6 Verbesserung der Rissnormalenschätzung 82 Literaturverzeichnis 83 Abkürzungsverzeichnis 89 Tabellenverzeichnis 90 Abbildungsverzeichnis 90

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In this thesis, the development of a structure for use in an educational CubeSat kit is explored. The potential uses of this kit include augmenting existing curricula with aspects of hands on learning, developing new ways of training students on proper space systems engineering practices, and overall contributing to academic capacity building at Cal Poly and its collaborators. The design improves on existing CubeSat kit structures by increasing accessibility to internal components by implementing a modular backplane system, as well as adding the ability to be environmentally tested. Manufacturing of the structure is completed with both additive (Fused Deposition Modeling with ABS polymer and Selective Laser Melting with AlSi10Mg metal) and subtractive (milling with Al-6061) technologies. Modal, harmonic, and random vibration analyses and tests are done to ensure the structure passes vibration testing qualification loads, as outlined by the National Aeronautics and Space Administration’s General Environmental Standards. Successful testing of the structure, defined as deforming less than 0.5 millimeters and maintaining a factor of safety above 2, is achieved with all materials of interest. Thus, the structure becomes the first publicly available CubeSat kit designed to survive environmental testing. Achieving this goal with a structure made of the cheap, widely available material ABS showcases the potential usability of 3D-printed polymers in CubeSat structures.

In developing countries, there is a great demand for university education. In order to select students to universities a standardized test score is used. In Turkey, the Student Selection Test (SST) have important role in admission to universities. However, there is very limited knowledge about what SST mathematics sections actually measures. The main purpose of the present study is to evaluate the content of the mathematics subtest of the SST in line with mathematical cognitive skills and eventually provide construct related evidence for dimensionality of the test items. Within this framework, it is aimed to cross validate the mathematics subtest across gender groups, school types and two consecutive years. Also relations among mathematical abilities are investigated. This study is first in investigating what is measured by SST Mathematics sections and analyzing construct validity by testing several nested confirmatory factor models. Comparison of fit indices of five competitive models showed three-factor model has better fit indices in which Basic Computation Ability, Advanced Computation Ability and Geometry Ability is measured. It is concluded that problem solving items are not measuring a different process, but measures some sort of computation ability. There is a problem related to the content of the mathematics subtests of the SST in line with mathematical cognitive skills. Higher order cognitive skills are not measured properly. Three-factor model is tested about the invariance of the factors across gender, school types and years. It is concluded that invariant factor structure indicates that SST mathematics section is operating similarly for subgroups and years. The relations among mathematical abilities on three-factor model are investigated by item mapping and structural equation models. It is seen that Basic Computation Ability is a prerequisite to acquire Geometry Ability and Advanced Computation Ability.

This study presents the investigation and the verification of the modal parameters of a plate-like structure by using different modal analysis methods. A fin-like structure which is generally used in aircraft is selected as a subcategory of a plate-like test structure. In the first part of the thesis, the natural frequencies and the corresponding mode shapes of the fin are extracted by Finite Element Analysis method. Classical Modal Analysis and Testing methods comprising both impact hammer and modal shaker applications are then applied in order to obtain the modal parameters such as / resonance frequencies, mode shapes and damping ratios. In the second part, a recent modal analysis technique, Operational Modal Analysis, is also applied in the laboratory environment. Since Operational Modal Analysis method does not require any information of input forcing, the fin structure is tested under both mechanical and acoustical types of excitations without measuring the given input forces. Finally, Operational Modal Analysis and Testing is also performed under various flow conditions generated in the wind tunnel which may simulate the real operating environment for the fin structure. The modal parameters extracted under these flow conditions are then compared with the previously obtained Finite Element, Classical and Operational Modal Analyses results.

Carbon fibre reinforced ceramic composites (Cf/C-SiC) have been explored as lightweight and durable disc in a friction brake. This composite was manufactured through infiltration of liquid silicon into a Cf/C perform. It has heterogeneous microstructure, composed of three key phases, silicon carbide, Cf/C, and un-reacted residual silicon. The development of the transfer layer on the friction surface of Cf/C-SiC was studied through microstructural image registration of the surface after a range of braking stops on a laboratory-scale dynamometer test rig. When an organic pad was used as the counter face brake pad, it was found that a steady transfer layer was developed in silicon regions right after initial stops; in carbon-fibre/carbon (Cf/C) regions and most of the silicon carbide region, the friction surfaces were unsteady and any possible friction transfer layers were hardly built up. Large voids and cracks/crevices likely became pools to quickly and efficiently collect the transferred materials generated by the friction, but the compacts formed inside the pools were susceptible to be stripped off by further braking operation. Three types of friction surfaces were generalized: type I, the friction transfer layer had a steady relationship with the matrix and respectable longevity; type II, the transfer layer had an unstable relationship with the matrix and poor durability; type III, the friction transfer layer had a steady relationship with the matrix but short lifetime. After testing against organic pads under the laboratory scale dynamometer testing condition, the friction surface of each key phase in Cf/C-SiC composites disc was studied by transmission electron microscopy (TEM). It was found that the transfer layer developed on Si consists of fine particles of metal silicides, silicates and minerals. The substrate damage of Si was not observed, while the precipitates having high oxygen content were found in the substrate. Formation of an interfacial bonding between transfer layer and silicon substrate is believed to be the key factor for the formation of a stable transfer layer on Si. However, the interfacial bonding between transferred materials and SiC was not detected. Kinks are common features developed on the friction surface of SiC. The interface between carbon fibre and carbon matrix was experienced mechanical damage, in form of microcracks, and the transferred material was developed in the interface. Instead of transfer layer, a thin amorphous film, produced by friction induced amorphisation of carbon fibre, was developed on top of carbon fibre.

In this study, experimental modal analysis was studied. Experimental modal analysis includes modal testing, modal parameter estimation and calibration. For this purpose a 4 span skewed steel frame was constructed in Structural Mechanics Laboratory of Civil Engineering Department of METU. The model was transported to Vibration and Acoustic Laboratory of Mechanical Engineering Department of METU. The tests were conducted by cooperation with Vibration and Acoustics Laboratory. Due to lack of experimental modal analysis software in Structural Mechanics Laboratory, modal parameter estimation and finite element updating softwares were written in Matlab platform. The written softwares were executed on the data obtained from modal testing. 15 reasonable modes are extracted from the FRFs that are obtained from modal testing. 59.23 percent consistency is found for the nominal modal comparison. At the end of calibration process 76.14 percent consistency is achieved between the experimental results and analytical results.

Bestärkt durch das gesellschaftliche und wirtschaftliche Interesse an nachhaltigen und ressourcenschonenden Formen des Bauens gewinnen Holzkonstruktionen wieder unverkennbar an Bedeutung. Mit dieser Entwicklung bilden sich neue Konstruktionsprinzipien und Materialkombinationen im Bauwesen heraus, zu deren ingenieurtechnischer Beurteilung zum Teil keine ausreichenden Erkenntnisse vorliegen. Verbundkonstruktionen aus Holz und Glas sind eine innovative Bauweise, die zu einer höheren Materialeffizienz in Fassaden beiträgt, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend hinterfragt wurde. Werden Holz und Glas durch eine tragende Klebung verbunden, lässt sich das vielfach ungenutzte Tragpotenzial ausschöpfen, das eine in Scheibenebene belastete Verglasung aufweist. Die Qualität der Klebung entscheidet dabei über die Eigenschaften und das Leistungsvermögen des Bauteils. Die üblicherweise an dieser Schnittstelle eingesetzten Silikonklebstoffe weisen eine hohe Nachgiebigkeit und eine vergleichsweise geringe Festigkeit auf. Wenn die Verbundelemente als Aussteifung mitwirken sollen, bleibt ihr Einsatz deswegen auf Gebäude mit höchstens zwei Geschossen limitiert. Die vorliegende Arbeit trägt entscheidend zur Erweiterung der baulichen Möglichkeiten bei, indem sie der Anwendbarkeit von hochfesten Klebstoffen, die für den Einsatz im Bauwesen nur wenig erforscht sind, auf vielschichtige Weise nachgeht. Im Fokus stehen aussteifende Holz-Glas-Verbundelemente für die Fassade. Weder die Bauart noch das Bauprodukt Klebstoff sind derzeit in Deutschland in einer Norm erfasst. Das Klären der baurechtlichen Rahmenbedingungen ist daher unerlässlich und erfolgt mit engem Bezug zum konstruktiven Glasbau. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Interpretation wird dadurch eine praxisnahe Bewertung der Versuchsergebnisse möglich, was ein Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit darstellt. Das Verformungsvermögen des Klebstoffs spielt eine zentrale Rolle bei der Materialauswahl und Gestaltung der Holz-Glas-Verbundelemente. Der Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf das Tragverhalten eines Einzelelements und auf dessen Interaktion mit den anderen Bestandteilen des Tragwerks wird an einem Modellgebäude untersucht. Auf Basis dieser Parameterstudie lassen sich drei Steifigkeitsbereiche definieren, auf die sich die Klebstoffauswahl für die weiteren Untersuchungen stützt. Der experimentelle Teil der Arbeit beginnt mit der ausführlichen Charakterisierung von sieben Klebstoffen. Davon werden zwei höherfeste Klebstoffe als geeignet identifiziert. Ein Silikonklebstoff wird als Referenzmaterial zur aktuellen Anwendungspraxis festgelegt. Das Hauptaugenmerk der folgenden Experimente richtet sich auf Aspekte der Alterungsbeständigkeit und des zeitabhängigen Materialverhaltens unter langandauernder mechanischer Beanspruchung. In labormaßstäblichen Alterungsprüfungen werden die Klebstoffproben unterschiedlichen Schadeinwirkungen ausgesetzt, die im Glas- und Fassadenbau relevant sind. Darüber hinaus erfolgen Kriechversuche an kleinen und großen Scherprüfkörpern. Letztere stellen einen besonderen Mehrwert dar, da sie eine realistische Klebfugengeometrie aufweisen und die Ergebnisse dadurch dem tatsächlichen Bauteilverhalten nahekommen. Für diese Zeitstandversuche wurde eine bislang einzigartige Versuchsanlage aus sechs Prüfrahmen mit Gasdruckfederbelastung entwickelt. Im Ergebnis zeigt sich, dass mit den gewählten höherfesten Klebstoffen die Festigkeit der nicht gealterten Klebschichten erwartungsgemäß gesteigert werden kann. Der Bruch des Fügepartners Holz wird zum maßgebenden Versagenskriterium. Die Verformungen des Verbundelements reduzieren sich gegenüber einer Silikonklebung deutlich. Allerdings offenbaren sich in einzelnen Alterungsszenarien und unter langandauernder Belastung auch Schwachstellen dieser Klebstoffe. Ihre Verwendung kann daher nur mit konstruktiven Kompensationsmaßnahmen oder durch Abschirmen der kritischen Einwirkungsgrößen empfohlen werden. Entsprechende Vorschläge werden bei der abschließenden Bewertung der Ergebnisse unterbreitet. Verfahren und Beurteilungsmethoden, die in dieser Arbeit angewendet und entwickelt werden, erleichtern die zukünftige Bewertung weiterer aussichtsreicher Klebstoffe für den Holz-Glas-Verbund.:1 Einleitung 13 1.1 Motivation 13 1.2 Zielsetzung 18 1.3 Abgrenzung 20 1.4 Vorgehensweise 21 2 Die Holz-Glas-Verbundbauweise 25 2.1 Tragprinzip und Wirkungsweise 25 2.2 Forschungsschwerpunkte und Anwendungen 27 2.2.1 Geklebte Verglasungssysteme für Fenster 27 2.2.2 Träger 28 2.2.3 Wandscheiben und Schubfelder 32 2.2.4 Verbundplatten 36 2.3 Tragendes Glas im Verbund 37 2.3.1 Relevanz für Holz-Glas-Verbundlösungen 37 2.3.2 Historische Vorbilder 37 2.3.3 Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas 38 2.3.4 Verbundträger 40 2.3.5 Wandscheiben aus Glas 43 2.4 Konstruktionsprinzipien von tragenden Wand und Fassadenelementen aus Holz und Glas 46 2.4.1 Aufbau 46 2.4.2 Verglasung 46 2.4.3 Ausbildung der Klebfuge 48 2.4.4 Marktreife Systeme mit Koppelleiste 49 2.4.5 Identifizieren geeigneter Tragsysteme 52 2.4.6 Skelett-, Tafel- und Massivholzbauweise 53 2.5 Zusammenfassung wesentlicher Erkenntnisse 55 3 Klebverbindungen im Glasbau 57 3.1 Fügen von Glas 57 3.1.1 Besondere Merkmale des Fügewerkstoffs 57 3.1.2 Wirkprinzip und Fügeverfahren 60 3.1.3 Vor- und Nachteile von Klebverbindungen 61 3.1.4 Glasoberfläche 65 3.2 Typische Anwendungsbeispiele im Glasbau 67 3.2.1 Klassifizierung 67 3.2.2 Einordung der Holz-Glas-Verbundbauweise 69 3.2.3 Structural Sealant Glazing 71 3.2.4 Ganzglaskonstruktionen 74 3.3 Planungsstrategien 76 3.3.1 Sicheres Bauteilversagen 76 3.3.2 Redundanz und Versagensszenarien 78 3.3.3 Besonderheiten bei geklebten Verglasungen 80 3.4 Baurechtliche Rahmenbedingungen 82 3.4.1 Normung und Verfahrensweise in Deutschland 82 3.4.2 Harmonisierung auf europäischer Ebene 84 3.4.3 ETAG 002 – Leitlinie für Structural Glazing 86 3.4.4 Der Weg zur geklebten Glaskonstruktion 88 4 Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf aussteifende Holz-Glas-Verbundtragwerke 91 4.1 Aussteifung von Holzbauten 91 4.2 Berechnungsverfahren 92 4.2.1 Begründung der Auswahl der Verfahren 92 4.2.2 Verteilung von Horizontallasten auf die Wandscheiben eines Aussteifungssystems 93 4.2.3 Wandscheibe als Schubfeld 95 4.2.4 Federmodelle 97 4.3 Randbedingungen für die Analyse 101 4.3.1 Modellgebäude 101 4.3.2 Konstruktive Gestaltung 103 4.3.3 Lastannahmen 104 4.4 Parameterstudie 107 4.4.1 Nachgiebigkeit der Kernwände 107 4.4.2 Nachgiebigkeit eines Verbundelements 108 4.4.3 Auswirkung der Elementanordnung 112 4.4.4 Lastumlagerung bei Ausfall von Elementen 114 4.4.5 Horizontallastanteil auf Fassade und Kern 116 4.5 Rückschlüsse auf die Tragsystemgestaltung und die Klebstoffauswahl 120 5 Materialauswahl und -charakterisierung 123 5.1 Untersuchungsprogramm 123 5.2 Materialeigenschaften der Fügeteile 124 5.2.1 Glas 124 5.2.2 Holz und Holzwerkstoffe 126 5.3 Klebstoffe 128 5.3.1 Auswahlkriterien für Holz-Glas-Klebungen 128 5.3.2 Vorauswahl der Klebstoffsysteme 130 5.4 Experimentelle Methoden zur Charakterisierung der Klebstoffe 134 5.4.1 Dynamisch-mechanische Analyse 134 5.4.2 Einaxialer Zugversuch 135 5.4.3 Scherversuch 138 5.5 Versuchsergebnisse 141 5.5.1 Glasübergangstemperatur 141 5.5.2 Spannungs-Dehnungs-Beziehung 145 5.5.3 Einpunktkennwerte 150 5.5.4 Scherfestigkeit und Bruchbildanalyse 151 5.6 Klebstoffauswahl für die Hauptuntersuchungen 155 6 Experimentelle Untersuchungen an Klebverbindungen im Labormaßstab 157 6.1 Methodik 157 6.1.1 Untersuchungsgegenstand 157 6.1.2 Beurteilungsgrundlagen 158 6.1.3 Untersuchungsprogramm 159 6.1.4 Auswertungsmethoden 162 6.2 Geometrie und Herstellung der Prüfkörper 164 6.2.1 Prüfkörper zum Bestimmen der Haftfestigkeit vor und nach künstlicher Alterung 164 6.2.2 Scherprüfkörper für Kriechversuche 165 6.2.3 Vorbereiten und Konditionieren der Proben 166 6.3 Verfahren zur mechanischen Prüfung und zur künstlichen Alterung 168 6.3.1 Zug- und Scherversuche 168 6.3.2 Lagerung unter UV-Bestrahlung 170 6.3.3 Lagerung in Reinigungsmittellösung 171 6.3.4 Holzfeuchtewechsel bei +20 °C 172 6.3.5 Lagerung in schwefeldioxidhaltiger Atmosphäre 173 6.3.6 Kriechversuche 174 6.4 Auswertung der Versuchsergebnisse 176 6.4.1 Anfangsfestigkeit im Scherversuch 176 6.4.2 Anfangsfestigkeit im Zugversuch 181 6.4.3 Sichtbare Veränderungen der Klebschicht 183 6.4.4 Restfestigkeit nach Alterung 185 6.4.5 Analyse der Versagensmuster 189 6.4.6 Kriechverhalten 192 6.4.7 Restfestigkeit nach Vorbelastung 198 7 Experimentelle Untersuchungen an bauteilähnlichen Prüfkörpern 201 7.1 Untersuchungsprogramm und Methodik 201 7.1.1 Ziel der Untersuchungen 201 7.1.2 Materialien 202 7.1.3 Großer Scherprüfkörper 203 7.1.4 Herstellung der Prüfkörper 205 7.1.5 Versuchsprogramm – Bauteilversuche 207 7.2 Entwicklung eines Kriechprüfstands 210 7.2.1 Prüfrahmen 210 7.2.2 Lasteinleitung 211 7.2.3 Belastungsvorgang 212 7.2.4 Messtechnik und Monitoring 213 7.2.5 Modifikation für Kurzzeitversuche 214 7.3 Große Scherversuche unter Kurz- und Langzeiteinwirkung 215 7.3.1 Tragfähigkeit bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 215 7.3.2 Spannungsverteilung im Glas 219 7.3.3 Kriechversuche mit 1000 Stunden Laufzeit 221 7.3.4 Verlängerte Kriechversuche am Klebstoff mit mittlerer Steifigkeit 226 7.3.5 Tragfähigkeit nach Vorbelastung 230 8 Bewertung und Handlungsempfehlung 231 8.1 Alterungsverhalten 231 8.2 Korrelation der Ergebnisse aus Fügeteil- und 233 Bauteilversuchen 8.2.1 Versuche bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 233 8.2.2 Versuche bei langandauernder Lasteinwirkung 235 8.3 Der Vorzugsklebstoff und seine Einsatzgrenzen 238 8.4 Konstruktion 241 9 Zusammenfassung und Ausblick 243 9.1 Zusammenfassung 243 9.2 Ausblick 249 10 Literatur 253 11 Abbildungsverzeichnis 263 12 Tabellenverzeichnis 267 13 Bezeichnungen 268 Anhang A Materialkennwerte zur Klebstoffauswahl 271 B Klebverbindungen im Labormaßstab 287 C Bauteilähnliche Prüfkörper 373 / Wooden constructions are on the rise again – encouraged by a strong public and economic trend towards sustainable and resource efficient buildings. Spurred by this growing interest novel design principles and material assemblies in architecture and the building industry evolve. These developments require further research due to the absence of evaluation tools and insufficient knowledge about their design. Load-bearing timber-glass composite elements could contribute to a more efficient use of materials in façade constructions. In this case a linear adhesive bond connects the glass pane to the timber substructure. This enables an in-plane loading of the glass whose capacity is not used to its full potential in conventional façades as it is solely applied as an infill panel. The quality of the adhesive bond defines the characteristics and the performance of the whole structural component. Structural sealants such as silicones, which are typically used for the joint, provide a high flexibility and only a low load-bearing capacity. Considering such elements being part of a bracing system, the mentioned characteristics limit the application range to buildings with not more than two stories. This thesis widens the scope with an in-depth examination of high-modulus adhesives, which have not yet been evaluated for their use in building constructions. Timber-glass composite elements used as a bracing component in façades are the focus of this work. Neither the full structural component nor the adhesive have yet been included into German building standards. Hence it is essential to assess the general requirements of their application. The relevant aspects are clarified in the context of glass constructions. In addition to the scientific discussion of the results, this approach facilitates also a practical evaluation of the findings, which is a unique feature of this work. The deformability of the adhesive becomes a crucial criterion when selecting the individual materials and designing the timber-glass composite elements. A case study assesses the influence of the adhesive stiffness on the behavior of a single element and its interaction with other members of the structural system. Based on the results, three different stiffness classes are introduced to support the selection process of the adhesives to be examined in further investigations. The experimental part of this work is initiated by a comprehensive characterization of seven shortlisted adhesives. The results enable a further differentiation of suitable materials. Two adhesives qualified as suitable for the main experiments. A silicone adhesive complements the test series to serve as a reference material to the current practice. In the next phase attention is drawn to the ageing stability and on the time-dependent material behavior of the adhesives under long-term loading. Small-scale specimens made from adhesively joint timber and glass pieces are exposed to different ageing scenarios which relate to the impacts typically encountered in façades. Beyond that, creep tests are carried out on small and large shear specimen. The latter provide extra benefit as they comprise long linear adhesive joints resembling virtually the situation in a real-size element. A specific long-term test rig was developed for this purpose comprising a loading unit with gas pressurized springs. Based on the results it can be concluded that joints with adhesives of high and intermediate stiffness enable an increase of characteristic failure loads and a significant reduction of deformation. With the stiffer joint near-surface rupture of timber fibers becomes the prevailing failure mechanism. The timber strength limits further loading of the adhesive joint. However, ageing and creep testing reveal also shortcomings of the adhesives. Their application can only be recommended if redundant compensation measures are taken or the joint is protected against critical environmental impacts. Appropriate solutions are proposed with the final recommendations of this work. Methods and assessment tools that have been developed and tested for this work offer the possibility of a more straight-forward evaluation of further promising adhesives and their use in load-bearing timber-glass composites.:1 Einleitung 13 1.1 Motivation 13 1.2 Zielsetzung 18 1.3 Abgrenzung 20 1.4 Vorgehensweise 21 2 Die Holz-Glas-Verbundbauweise 25 2.1 Tragprinzip und Wirkungsweise 25 2.2 Forschungsschwerpunkte und Anwendungen 27 2.2.1 Geklebte Verglasungssysteme für Fenster 27 2.2.2 Träger 28 2.2.3 Wandscheiben und Schubfelder 32 2.2.4 Verbundplatten 36 2.3 Tragendes Glas im Verbund 37 2.3.1 Relevanz für Holz-Glas-Verbundlösungen 37 2.3.2 Historische Vorbilder 37 2.3.3 Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas 38 2.3.4 Verbundträger 40 2.3.5 Wandscheiben aus Glas 43 2.4 Konstruktionsprinzipien von tragenden Wand und Fassadenelementen aus Holz und Glas 46 2.4.1 Aufbau 46 2.4.2 Verglasung 46 2.4.3 Ausbildung der Klebfuge 48 2.4.4 Marktreife Systeme mit Koppelleiste 49 2.4.5 Identifizieren geeigneter Tragsysteme 52 2.4.6 Skelett-, Tafel- und Massivholzbauweise 53 2.5 Zusammenfassung wesentlicher Erkenntnisse 55 3 Klebverbindungen im Glasbau 57 3.1 Fügen von Glas 57 3.1.1 Besondere Merkmale des Fügewerkstoffs 57 3.1.2 Wirkprinzip und Fügeverfahren 60 3.1.3 Vor- und Nachteile von Klebverbindungen 61 3.1.4 Glasoberfläche 65 3.2 Typische Anwendungsbeispiele im Glasbau 67 3.2.1 Klassifizierung 67 3.2.2 Einordung der Holz-Glas-Verbundbauweise 69 3.2.3 Structural Sealant Glazing 71 3.2.4 Ganzglaskonstruktionen 74 3.3 Planungsstrategien 76 3.3.1 Sicheres Bauteilversagen 76 3.3.2 Redundanz und Versagensszenarien 78 3.3.3 Besonderheiten bei geklebten Verglasungen 80 3.4 Baurechtliche Rahmenbedingungen 82 3.4.1 Normung und Verfahrensweise in Deutschland 82 3.4.2 Harmonisierung auf europäischer Ebene 84 3.4.3 ETAG 002 – Leitlinie für Structural Glazing 86 3.4.4 Der Weg zur geklebten Glaskonstruktion 88 4 Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf aussteifende Holz-Glas-Verbundtragwerke 91 4.1 Aussteifung von Holzbauten 91 4.2 Berechnungsverfahren 92 4.2.1 Begründung der Auswahl der Verfahren 92 4.2.2 Verteilung von Horizontallasten auf die Wandscheiben eines Aussteifungssystems 93 4.2.3 Wandscheibe als Schubfeld 95 4.2.4 Federmodelle 97 4.3 Randbedingungen für die Analyse 101 4.3.1 Modellgebäude 101 4.3.2 Konstruktive Gestaltung 103 4.3.3 Lastannahmen 104 4.4 Parameterstudie 107 4.4.1 Nachgiebigkeit der Kernwände 107 4.4.2 Nachgiebigkeit eines Verbundelements 108 4.4.3 Auswirkung der Elementanordnung 112 4.4.4 Lastumlagerung bei Ausfall von Elementen 114 4.4.5 Horizontallastanteil auf Fassade und Kern 116 4.5 Rückschlüsse auf die Tragsystemgestaltung und die Klebstoffauswahl 120 5 Materialauswahl und -charakterisierung 123 5.1 Untersuchungsprogramm 123 5.2 Materialeigenschaften der Fügeteile 124 5.2.1 Glas 124 5.2.2 Holz und Holzwerkstoffe 126 5.3 Klebstoffe 128 5.3.1 Auswahlkriterien für Holz-Glas-Klebungen 128 5.3.2 Vorauswahl der Klebstoffsysteme 130 5.4 Experimentelle Methoden zur Charakterisierung der Klebstoffe 134 5.4.1 Dynamisch-mechanische Analyse 134 5.4.2 Einaxialer Zugversuch 135 5.4.3 Scherversuch 138 5.5 Versuchsergebnisse 141 5.5.1 Glasübergangstemperatur 141 5.5.2 Spannungs-Dehnungs-Beziehung 145 5.5.3 Einpunktkennwerte 150 5.5.4 Scherfestigkeit und Bruchbildanalyse 151 5.6 Klebstoffauswahl für die Hauptuntersuchungen 155 6 Experimentelle Untersuchungen an Klebverbindungen im Labormaßstab 157 6.1 Methodik 157 6.1.1 Untersuchungsgegenstand 157 6.1.2 Beurteilungsgrundlagen 158 6.1.3 Untersuchungsprogramm 159 6.1.4 Auswertungsmethoden 162 6.2 Geometrie und Herstellung der Prüfkörper 164 6.2.1 Prüfkörper zum Bestimmen der Haftfestigkeit vor und nach künstlicher Alterung 164 6.2.2 Scherprüfkörper für Kriechversuche 165 6.2.3 Vorbereiten und Konditionieren der Proben 166 6.3 Verfahren zur mechanischen Prüfung und zur künstlichen Alterung 168 6.3.1 Zug- und Scherversuche 168 6.3.2 Lagerung unter UV-Bestrahlung 170 6.3.3 Lagerung in Reinigungsmittellösung 171 6.3.4 Holzfeuchtewechsel bei +20 °C 172 6.3.5 Lagerung in schwefeldioxidhaltiger Atmosphäre 173 6.3.6 Kriechversuche 174 6.4 Auswertung der Versuchsergebnisse 176 6.4.1 Anfangsfestigkeit im Scherversuch 176 6.4.2 Anfangsfestigkeit im Zugversuch 181 6.4.3 Sichtbare Veränderungen der Klebschicht 183 6.4.4 Restfestigkeit nach Alterung 185 6.4.5 Analyse der Versagensmuster 189 6.4.6 Kriechverhalten 192 6.4.7 Restfestigkeit nach Vorbelastung 198 7 Experimentelle Untersuchungen an bauteilähnlichen Prüfkörpern 201 7.1 Untersuchungsprogramm und Methodik 201 7.1.1 Ziel der Untersuchungen 201 7.1.2 Materialien 202 7.1.3 Großer Scherprüfkörper 203 7.1.4 Herstellung der Prüfkörper 205 7.1.5 Versuchsprogramm – Bauteilversuche 207 7.2 Entwicklung eines Kriechprüfstands 210 7.2.1 Prüfrahmen 210 7.2.2 Lasteinleitung 211 7.2.3 Belastungsvorgang 212 7.2.4 Messtechnik und Monitoring 213 7.2.5 Modifikation für Kurzzeitversuche 214 7.3 Große Scherversuche unter Kurz- und Langzeiteinwirkung 215 7.3.1 Tragfähigkeit bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 215 7.3.2 Spannungsverteilung im Glas 219 7.3.3 Kriechversuche mit 1000 Stunden Laufzeit 221 7.3.4 Verlängerte Kriechversuche am Klebstoff mit mittlerer Steifigkeit 226 7.3.5 Tragfähigkeit nach Vorbelastung 230 8 Bewertung und Handlungsempfehlung 231 8.1 Alterungsverhalten 231 8.2 Korrelation der Ergebnisse aus Fügeteil- und 233 Bauteilversuchen 8.2.1 Versuche bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 233 8.2.2 Versuche bei langandauernder Lasteinwirkung 235 8.3 Der Vorzugsklebstoff und seine Einsatzgrenzen 238 8.4 Konstruktion 241 9 Zusammenfassung und Ausblick 243 9.1 Zusammenfassung 243 9.2 Ausblick 249 10 Literatur 253 11 Abbildungsverzeichnis 263 12 Tabellenverzeichnis 267 13 Bezeichnungen 268 Anhang A Materialkennwerte zur Klebstoffauswahl 271 B Klebverbindungen im Labormaßstab 287 C Bauteilähnliche Prüfkörper 373