Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Umschnürung von gedrungenen Stahlbetonstützen mittels Kohlefasergelegen. Die durch Epoxidharz mit dem Altbeton verbundenen Kohlefasern (CFK-Umschnürung) bewirken hierbei eine starke Behinderung der Querdehnung des Betons, wodurch dieser in einen dreidimensionalen Spannungszustand versetzt wird. Die Betondruckfestigkeit kann dadurch nachträglich deutlich gesteigert und das Verformungsverhalten positiv beeinflusst werden. Forschungsaufgabe war es, Wissenslücken und aufgeworfene Fragen, die sich aus einer intensiven Literaturrecherche zur Thematik ergaben, zu schließen und einen eigenen Bemessungsansatz zu entwickeln. Hierzu wurden Beton- und Stahlbetondruckglieder mit verschiedenen Abmessungen und Durchmessern sowie unterschiedlichen Längs- und Querbewehrungsgehalten hergestellt. Danach erfolgte die Umschnürung dieser Prüfkörper mit verschiedenen CFK-Materialien in variierenden Dicken und anschließende Bauteiltests in Form von weggesteuerten Druckversuchen. Neben dem Materialverhalten konnten mittels elektrischen Messsystemen, wie z. B. induktiven Wegaufnehmern sowie auf den Prüfkörpern aufgebrachten Dehnungsmessstreifen, auch die Versagenszustände zuverlässig bestimmt werden. Die Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten mündete in empirischen Gleichungen zur Beschreibung der maximalen Druckfestigkeit und Dehnung von CFK-umschnürten Bauteilen aus unbewehrtem oder bewehrtem Beton. Darüber hinaus konnten Aussagen zur tatsächlichen Bruchdehnung der eingesetzten Kohlefasern getroffen und entsprechende Abminderungsfaktoren abgeleitet werden. Unter Berücksichtigung der Datenreihen anderer Forschergruppen wurde die eigene Datenbasis vergrößert und die gewonnenen Erkenntnisse bestätigt. Als Ergebnis steht ein empirischer Bemessungsansatz zur Verfügung, der Bemessungsgleichungen zur Querschnittstragfähigkeit und zugehörigen Dehnung von CFK-umschnürten unbewehrten und bewehrten kreisrunden Stützenquerschnitten bietet. Darüber hinaus können Spannungs-Dehnungs-Beziehungen hergeleitet werden. Durch die Entwicklung von charakteristischen Bemessungsgleichungen gelingt eine einfache Implementierung in bestehende Sicherheitskonzepte. Das entwickelte Modell oder Teile davon eignen sich zur Verwendung in den zur Entstehungszeit der Dissertation vorhandenen Bemessungsvorschriften oder können zu deren Verbesserung herangezogen werden. / This thesis deals with the confinement of short reinforced concrete (RC) columns by carbon-fibre-sheets (CF sheet). In doing so, the connection of concrete surface and CF sheet is enabled by an epoxy resin (CFRP confinement). Thereby, concrete’s lateral expansion is efficiently restricted in cases of imposed axial compressive deformation; therefore, the elastic CFRP resisting response generates an ever increasing lateral compressive stress state on concrete, leading to structural upgrade of the member core to provide a remarkable higher concrete strength and sufficient deformability. Research assignment was to solve open-ended questions and knowledge gaps, which unfolded during an intense literature review, and to present an own proposal of a material model. For this, plain and reinforced concrete columns with different geometrical shape, variable diameter, and different longitudinal and transverse reinforcement elements were produced, and were confined with different CF sheets in variable thickness. Executed deformation controlled compression tests provided investigations concerning the structural behaviour of the test specimens, and electrical measurement techniques such as LVTD and strain gauges enabled a sufficient monitoring of failure modes. The evaluation and interpretation of the received data resulted in empirical equations to predict the ultimate strength and accompanying ultimate axial strain of CFRP confined columns with and without reinforcement. Furthermore, the tests allowed conclusions concerning the rupture strain of the deployed CFRP confinements, and leaded to FRP efficiency factors, capable to predict the actual ultimate strain of the reinforcing fibres. Further data bases, which are available in literature, confirmed the own proposals. As a result, this thesis provides an empirical material model, which deals with proper design equations to predict the load bearing capacity and the deformability of CFRP confined plain and reinforced circular concrete columns. Moreover, it is possible to generate entire stress-strain curves in axial direction. Developed characteristic equations and values allow an easy implementation in existing limit state concepts. The developed model or parts of it are sufficient to be implemented in design guidelines, or they may help to enhance them.

Die Arbeit stellt ein umfangreiches Hilfsmittel beim Umgang mit alten Brückenkranstrukturen dar, um einen sicheren Kranbetrieb an der Grenze und beim Überschreiten der rechnerischen Lebensdauer zu gewährleisten. Sie konzentriert sich dabei auf Ermüdungsschäden in der primären Tragstruktur von Brückenkranen, da diese das größte Gefahrenpotential darstellen. Die Zielsetzung der Arbeit lässt sich im Kern mit der „Maximierung der Krannutzungsdauer bei minimalen Stillstandzeiten und sicherem Kranbetrieb“ beschreiben. Aufgrund der Komplexität von Ermüdungsrissen in Bezug auf deren Entstehung und auf den Umgang nach deren Auftreten wurde die Zielsetzung mit unterschiedlichen Lösungsansätzen verfolgt. Es wurden die drei Kernansätze – Lebensdauervorhersage, Strukturüberwachung und Struktursanierung bzw. -ertüchtigung verfolgt. Zur Reduzierung von Stillstandzeiten dient eine Lebensdauervorhersage, mithilfe welcher die verbleibende Zeit bis zum Eintreten einer Strukturschädigung abgeschätzt werden kann, was eine bedarfsorientierte und frühzeitige Strukturertüchtigung erlaubt und somit die prädiktive bzw. präventiv zustandsabhängige Instandsetzung ermöglicht. Eine Lebensdauervorhersage basiert auf Berechnungen der Ermüdungsfestigkeit, welche ertragbare Beanspruchbarkeiten und ertragene Beanspruchungen gegenüberstellen. Um die Qualität einer Lebensdauervorhersage erheblich zu verbessern, wurde ein Messverfahren entwickelt, welches die Erfassung der Kranbelastungsgrößen mit einem vergleichsweise geringen messtechnischen Aufwand erlaubt und an jedem Brückenkran nachgerüstet werden kann. Ein sicherer Kranbetrieb soll mit einer fortwährenden Strukturüberwachung kritischer Bereiche sichergestellt werden. Ermüdungsrisse in Kranstrukturen werden zumeist im Rahmen von turnusmäßig durchgeführten Sichtprüfungen oder häufig sogar zufällig festgestellt. Dies hat zur Folge, dass das Risswachstum größtenteils weit fortschreiten kann und die Struktur stark geschädigt wird oder es zum Bruch und somit zu schweren Havarien kommt. Zur Vermeidung derartiger Szenarien wurde ein Verfahren zur Erfassung von Ermüdungsrissen auf Basis der Veränderung der Materialdehnung während des Risswachstums entwickelt. Wie auch das Verfahren zur Erfassung der Belastungsgrößen zeichnet es sich durch einen geringen messtechnischen Aufwand und eine universelle Anwendbarkeit aus. Neben der qualitativen Erfassung von Ermüdungsrissen ermöglicht das Verfahren ebenfalls quantitative Aussagen in Form von Risslängen und -positionen. Durch den Abgleich mit bruchmechanischen Grenzwerten, welche im Rahmen von strukturmechanischen Simulationen ermittelt werden können, kann das Gefahrenpotenzial eines Ermüdungsrisses während des fortschreitenden Risswachstums bewertet werden. Eine Maximierung der Kranlebensdauer kann durch eine lokale Veränderung der Tragstruktur erreicht werden. Bei der Konstruktion vieler älterer Krane konnten keine strukturmechanischen Simulationen zur Bewertung kritischer Strukturdetails genutzt werden. Hierdurch kam es mitunter zur falschen Einschätzung von Kerben. Durch die nachträgliche Begutachtung bestehender Kranstrukturen mithilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM), können derart kritische Strukturbereiche identifiziert und darüber hinaus modifiziert werden. In der Arbeit werden verschiedene Kernansätze bei der beanspruchungsbezogenen Optimierung von Kranstrukturen extrahiert und dargestellt. Diese können entweder als Reaktion auf einen Schaden (Sanierung) oder als Prävention vor einem Schaden (Ertüchtigung) umgesetzt werden. Da die modifizierten Strukturbereiche i. d. R. erheblich von den in den Normen katalogisierten Strukturstellen abweichen, sollte im Vorfeld der Umsetzung einer Strukturmodifizierung eine versuchstechnische Validierung erfolgen. Hierfür wurde eine Prüfvorrichtung entwickelt, welche speziell für große Strukturbauteile geeignet ist und die Ermittlung beanspruchbarkeitsspezifischer Parameter für nicht katalogisierte Strukturbereiche von Brückenkranen ermöglicht. Im Rahmen der Zusammenfassung wurde ein Leitfaden zur Anwendung der Arbeit in Form von mehreren Fließbildern bereitgestellt. Hierdurch soll die Nutzung der entwickelten Verfahren und Methoden einem breiten Spektrum potenzieller Anwender zugänglich gemacht werden.:1 Einführung 1.1 Ausgangssituation 1.2 Zielsetzung und Lösungsweg 2 Beanspruchung von Bauteilstrukturen 2.1 Beanspruchungskomponenten ebener Strukturen 2.2 Beanspruchungskomponenten räumlicher Strukturen 2.3 Verzerrungen ebener Strukturpunkte 2.4 Das Hauptachsensystem 2.4.1 Transformation bei reiner Schubbeanspruchung 2.4.2 Transformation bei allgemeiner Beanspruchung 2.5 Hauptnormaldehnungen 2.6 Querkontraktion 2.7 Transformierte Spannungen und Hauptnormalspannungen 2.8 Mohrscher Spannungs- und Verzerrungskreis 2.9 Bezugssystemunabhängige Vergleichshypothesen 3 Messen von Beanspruchungszuständen mithilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS) 3.1 Wirkprinzip von Dehnungsmessstreifen (DMS) 3.2 Wheatstone’sche Brückenschaltung 3.2.1 Herleitung 3.2.2 Mechanische Anwendung 3.3 Fehlereinfluss am ebenen Beanspruchungszustand 3.3.1 Fehler infolge von Scherung 3.3.2 Fehlereinfluss der Appliziergenauigkeit 3.3.3 DMS-Rosetten zur Vermeidung von Applizierungsfehlern 4 Statische Beanspruchbarkeit von Bauteilstrukturen 5 Ermüdungsfestigkeitsberechnung und Lebensdauervorhersage 5.1 Aufnahme von Wöhlerlinien 5.2 Vorgehen bei der Lebensdauervorhersage 5.3 Rechengang am Beispiel der FKM-Richtlinie 5.3.1 Begründung der Auswahl der FKM-Richtlinie 5.3.2 Werkstoffwechselfestigkeit 5.3.3 Bauteilwechselfestigkeit (konstruktiver Einfluss) 5.3.4 Auszählen des Beanspruchungsverlaufes 5.3.5 Bauteildauerfestigkeit (Mittelspannungseinfluss) 5.3.6 Bauteilbetriebsfestigkeit (Einfluss des Beanspruchungsverlaufes) 5.3.7 Nachweis und Berechnung der Lebensdauer 6 Ermittlung des Beanspruchungsverlaufes an Brückenkrantragwerken 6.1 Hauptbelastungsgrößen des Krantragwerks 6.2 Rekonstruktion des Beanspruchungs-Zeit-Verlaufes 7 Verfahren zur Erfassung der Kranbelastungsgrößen 7.1 Bedarfsbegründung des Verfahrens 7.2 Theoretische Herleitung des Verfahrens 7.3 Verwendung zusätzlicher DMS 7.4 Aufnahme von Dehnungs-Kennlinien 7.5 Vorbereitung der Installation 7.6 Beispiel anhand realer Messdaten 7.7 Zusammenfassung und Ausblick der Weiterentwicklung 8 Verfahren zur Strukturüberwachung an Brückenkrantragwerken 8.1 Einführung 8.2 Theoretische Herleitung 8.3 Validierung des Verfahrens 8.3.1 Versuchsvorrichtung 8.3.2 Gekerbte Strukturbauteile 8.3.3 Geschweißte Strukturbauteile 8.3.4 Ergebnis 8.4 Anwendung am Brückenkran 8.4.1 Herleitung 8.4.2 Versuchstechnische Validierung 8.5 Fehlereinflüsse 8.5.1 Positionierung der DMS 8.5.2 Plastisches Werkstoffverhalten 8.6 Zusammenfassung und Ausblick der Weiterentwicklung 9 Ertüchtigung und Sanierung von Brückenkrantragwerken 9.1 Systematik der Struktursanierung 9.2 Beispiele der Strukturertüchtigung 9.3 Validierung erarbeiteter Sanierungsstrategien 9.3.1 Entwicklung eines Resonanzpulsators 9.3.2 Versuchsdurchführung 9.4 Zusammenfassung und Ausblick der Weiterentwicklung 10 Zusammenfassung und Anwendung dieser Arbeit 11 Ausblick

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Umschnürung von gedrungenen Stahlbetonstützen mittels Kohlefasergelegen. Die durch Epoxidharz mit dem Altbeton verbundenen Kohlefasern (CFK-Umschnürung) bewirken hierbei eine starke Behinderung der Querdehnung des Betons, wodurch dieser in einen dreidimensionalen Spannungszustand versetzt wird. Die Betondruckfestigkeit kann dadurch nachträglich deutlich gesteigert und das Verformungsverhalten positiv beeinflusst werden. Forschungsaufgabe war es, Wissenslücken und aufgeworfene Fragen, die sich aus einer intensiven Literaturrecherche zur Thematik ergaben, zu schließen und einen eigenen Bemessungsansatz zu entwickeln. Hierzu wurden Beton- und Stahlbetondruckglieder mit verschiedenen Abmessungen und Durchmessern sowie unterschiedlichen Längs- und Querbewehrungsgehalten hergestellt. Danach erfolgte die Umschnürung dieser Prüfkörper mit verschiedenen CFK-Materialien in variierenden Dicken und anschließende Bauteiltests in Form von weggesteuerten Druckversuchen. Neben dem Materialverhalten konnten mittels elektrischen Messsystemen, wie z. B. induktiven Wegaufnehmern sowie auf den Prüfkörpern aufgebrachten Dehnungsmessstreifen, auch die Versagenszustände zuverlässig bestimmt werden. Die Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten mündete in empirischen Gleichungen zur Beschreibung der maximalen Druckfestigkeit und Dehnung von CFK-umschnürten Bauteilen aus unbewehrtem oder bewehrtem Beton. Darüber hinaus konnten Aussagen zur tatsächlichen Bruchdehnung der eingesetzten Kohlefasern getroffen und entsprechende Abminderungsfaktoren abgeleitet werden. Unter Berücksichtigung der Datenreihen anderer Forschergruppen wurde die eigene Datenbasis vergrößert und die gewonnenen Erkenntnisse bestätigt. Als Ergebnis steht ein empirischer Bemessungsansatz zur Verfügung, der Bemessungsgleichungen zur Querschnittstragfähigkeit und zugehörigen Dehnung von CFK-umschnürten unbewehrten und bewehrten kreisrunden Stützenquerschnitten bietet. Darüber hinaus können Spannungs-Dehnungs-Beziehungen hergeleitet werden. Durch die Entwicklung von charakteristischen Bemessungsgleichungen gelingt eine einfache Implementierung in bestehende Sicherheitskonzepte. Das entwickelte Modell oder Teile davon eignen sich zur Verwendung in den zur Entstehungszeit der Dissertation vorhandenen Bemessungsvorschriften oder können zu deren Verbesserung herangezogen werden. / This thesis deals with the confinement of short reinforced concrete (RC) columns by carbon-fibre-sheets (CF sheet). In doing so, the connection of concrete surface and CF sheet is enabled by an epoxy resin (CFRP confinement). Thereby, concrete’s lateral expansion is efficiently restricted in cases of imposed axial compressive deformation; therefore, the elastic CFRP resisting response generates an ever increasing lateral compressive stress state on concrete, leading to structural upgrade of the member core to provide a remarkable higher concrete strength and sufficient deformability. Research assignment was to solve open-ended questions and knowledge gaps, which unfolded during an intense literature review, and to present an own proposal of a material model. For this, plain and reinforced concrete columns with different geometrical shape, variable diameter, and different longitudinal and transverse reinforcement elements were produced, and were confined with different CF sheets in variable thickness. Executed deformation controlled compression tests provided investigations concerning the structural behaviour of the test specimens, and electrical measurement techniques such as LVTD and strain gauges enabled a sufficient monitoring of failure modes. The evaluation and interpretation of the received data resulted in empirical equations to predict the ultimate strength and accompanying ultimate axial strain of CFRP confined columns with and without reinforcement. Furthermore, the tests allowed conclusions concerning the rupture strain of the deployed CFRP confinements, and leaded to FRP efficiency factors, capable to predict the actual ultimate strain of the reinforcing fibres. Further data bases, which are available in literature, confirmed the own proposals. As a result, this thesis provides an empirical material model, which deals with proper design equations to predict the load bearing capacity and the deformability of CFRP confined plain and reinforced circular concrete columns. Moreover, it is possible to generate entire stress-strain curves in axial direction. Developed characteristic equations and values allow an easy implementation in existing limit state concepts. The developed model or parts of it are sufficient to be implemented in design guidelines, or they may help to enhance them.

Der Klimaschutz ist eine Herausforderung und eine Verantwortung insbesondere gegenüber den nachfolgenden Generationen. Ein Baustein zum Klimaschutz ist die erhebliche Senkung des Energieverbrauches der bestehenden Gebäude. Bei der Sanierung von älteren oder gar zu Denkmalen erklärten Gebäuden stellt die Erhaltung der Originalsubstanz und des Erscheinungsbildes erhöhte Anforderungen an alle am Bau Beteiligten. Für eine energetische Ertüchtigung von historischen Fenstern, welche auch zukünftigen Anforderungen an den Klimaschutz genügen, zeigt diese Arbeit, dass eine detaillierte Planung und eine bauphysikalische Betrachtung notwendig sind. Diese Arbeit leistet einen Beitrag, damit zukünftig das thermische Verhalten der einzelnen Bestandteile (Verglasung, Randverbund, Rahmen) des energetisch ertüchtigten Fensters realitätsnah simuliert und bewertet werden kann. Ausgehend von einer vorbildhaften energetischen Sanierung eines Baudenkmals, welche auch zukünftige Anforderungen an den Klimaschutz genügt, wurden die Erfahrungen der Herstellung der Hochleistungsfenster des Modellgebäudes über die Beobachtungen in einem Zeitraum von über 15 Jahren dargelegt. Bei der Literaturrecherche zum Stand der Wissenschaft und Technik zum Thema Berechnung und Simulation von transparenten Bauteilen wurde besonders auf die freie Konvektion im geschlossenen Scheibenzwischenraum eingegangen. Darauf beruhend wurden eine Parameterstudie und eine Bewertung der Konvektionsmodelle vorgenommen. Das am Institut für Bauklimatik entwickelte numerische Simulationsprogramm [DELPHIN] beruht auf der Finite-Volumen-Methode für opake Bauteile und berücksichtigt den gekoppelten Wärme-, Feuchte-, Luft- und Salztransport für 1D-, 2D- und 3D- Probleme. Dieses Programm wurde parallel zu dieser Arbeit durch das DELPHIN-Entwicklerteam auf der Grundlage der Validierungen mittels Messungen an den Fenstern des Modellgebäudes um die freie Konvektion im geschlossenen Hohlraum zu einem Programm zur Berechnung von transparenten Bauteilen weiterentwickelt. Zusätzlich können damit unter Berücksichtigung der Feuchtespeicherung hygrothermische Schadensprognosen in der Ingenieurpraxis vorgenommen werden. Im Vergleich zur CFD-Simulation wird nur ein Bruchteil der Rechenleistung und Rechenzeit benötigt. Der Ansatz, mit den Messungen der Oberflächentemperatur und der Globalstrahlung senkrecht zur Fassadenebene alle wesentlichen Parameter zu erfassen und durch Nachsimulation von Scheibenoberflächentemperaturen im Kastenzwischenraum das Simulationsmodell und das Programm zu validieren, hat sich bewährt. Durch die Validierung unter Realbedingungen steigt die Akzeptanz dieser Simulation vor allem in der Praxis. Das entwickelte Simulationsmodell stellt ein Werkzeug für die wissenschaftlich gestützte Weiterentwicklung moderner Fenster für die Industrie dar. Zukünftig soll es zur Optimierung von anderen transparenten Bauteilen wie z. B. der thermischen Solarkollektoren sowie der Kombination aus thermischen Solarkollektoren und PV-Kollektoren beitragen. Eine weitere Zielgruppe dieser Arbeit sind Fachplaner und Fachbetriebe, welche sich auf die energetische Sanierung von Bestandsfenstern spezialisiert haben. Die Simulationen der Kastenfenster haben gezeigt, dass bei der Bauteil- und Gebäudesimulation die Berücksichtigung der Absorption der kurzwelligen Strahlung und die daraufhin veränderten freien Konvektionen und der langwellige Strahlungsaustausch in den geschlossenen Hohlräumen nicht vernachlässigt werden können. Der Fehler bei dem Monatsbilanzverfahren zur Berechnung des Heizenergiebedarfes ist bei 2-Scheibenverglasungen noch vertretbar. Bei hochenergieeffizienten Mehrscheibenverglasungen sollte das normative statische Berechnungsverfahren zur U-Wertermittlung von transparenten Bauteilen Verglasungen vorzugsweise durch eine thermische Simulation ersetzt werden. Hierbei sind der Klimastandort und die Ausrichtung für die Absorption der kurzwelligen Strahlung zu berücksichtigen. Eine Vereinfachung für ein Monatsbilanzverfahren für die jeweiligen Klimastandorte der Testreferenzjahre (TRY) [DWD] ist vorstellbar. Bei der Bauteil- und Gebäudesimulation unter Verwendung von Stundenwerten und noch kleineren Zeitschritten sowie in der Hitzeperiode muss diese Modellerweiterung implementiert werden. Durch die realitätsnahe Simulation der Scheibenoberflächentemperaturen auf der Raumseite kann die Empfindungstemperatur berechnet und nachfolgend eine Behaglichkeitsbewertung durchgeführt werden. Die Untersuchungsergebnisse beim Modellgebäude und der Simulation fließen in Vorschläge zur energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern mittels schmaler Wärmeschutzverglasung mit reduziertem Emissionsgrad ein. Auf der Grundlage dieses Modells kann das Optimum des Scheibenzwischenraumes der einzelnen Edelgase in Abhängigkeit der Neigung ermittelt werden. Das Modell gibt die Möglichkeit zur Bewertung und nachfolgend zur Minimierung von Schadprozessen, welche die Dauerhaftigkeit von transparenten Bauteilen beeinträchtigen. Für die Gebäudesimulation ist die Simulation der Wärmeströme der Verglasung und eine Betrachtung der Strahlungstransmission zu empfehlen. Die separate Simulation von U-Werten ist nicht zu bevorzugen.:1. Motivation, Ausgangssituation und Ziele 9 1.1. Motivation 9 1.2. Ziele, Thesen, Methodik und Relevanz des Dissertationsthemas 11 1.3. Strukturierung der Arbeit 16 2. Modellgebäude Handwerk 15 in Görlitz 17 2.1. Energetisches Gesamtkonzept 18 2.1.1. Dämmmaßnahmen 19 2.1.2. Erneuerung Anlagentechnik 20 2.2. Geschichte und Beurteilung des Denkmalwertes des Modellobjektes 24 2.3. Besondere Anforderungen an die Fenster am Beispiel des Gebäudes Handwerks 15 32 2.3.1. Brandschutzanforderungen 32 2.3.2. Schallschutzanforderungen 33 2.3.3. Belichtung 33 2.3.4. Architektonische Anforderungen-Beibehaltung des historischen Erscheinungsbildes 34 2.4. Energetische Ertüchtigung der Fenster des Modellgebäudes 37 2.4.1. Ausgangssituation 37 2.4.2. Verwendete Verglasung und Low-e-Beschichtung 39 2.4.3. Holz-Kastenfenster mit 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 41 2.4.4. Holz-Einfachfenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 44 2.5. Messungen und Beobachtungen am Modellgebäude 46 2.5.1. Messkonzept und Dokumentation des Monitorings und Messerfassungssystems 47 2.5.2. Messaufbau zur Erfassung des Innen- und Außenklimas 48 2.5.3. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 2. OG Nord 50 2.5.4. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 1. DG Süd 54 2.5.5. Bauteilmessstrecke Dachliegefenster, Nord, 2. DG 57 2.5.6. Beschreibung von bauphysikalischen Vorgängen bei den Verglasungen 63 2.5.7. Beschreibung von physikalischen Schadprozessen bei Fenstern 65 2.5.8. Zusammenfassung und Fazit aus den Messungen und den Beobachtungen 70 3. Stand der Wissenschaft und Technik 71 3.1. Aktuelle europäische Normung 72 3.2. Analytisches Modell für die Konvektion innerhalb des Scheibenzwischenraumes 78 3.3. Modell nach ISO 15 099 88 3.4. Modell nach Hollands, Unny, Raithby und Konicek u. a. 90 3.5. Modellzusammenstellung nach Klan und Thess 93 3.6. CFD-Simulationen von Mehrscheibenverglasungen 96 3.6.1. CFD-Simulationen im Vergleich zur DIN EN 673 96 3.6.2. CFD-Simulationen in Kombination mit Messungen im Versuchsstand 102   3.7. Übersicht über die Umsetzung der Verglasungsmodelle in den Computerprogrammen 104 3.7.1. Programm glaCE 3.03 von Glas-Trösch 105 3.7.2. Programm Calumen II 1.3.3/ CalumenLive von SAINT-GOBAIN GLASS 105 3.7.3. Programmpaket Optics, Windows und Therm mit Übergabe in Energy Plus 105 3.7.4. Einzonensimulationsprogramm Therakles 3.0 vom Institut für Bauklimatik 110 3.7.5. Programme der Energieeinsparverordnung 111 3.7.6. Programmpaket PHPP 8 111 3.7.7. Übersicht über die Software zur Berechnung von Verglasungskennwerten 112 3.8. Übersicht über die thermische Beanspruchung von Verglasungen 113 4. Vergleich und Bewertung der Konvektionsmodelle 117 4.1. Analytische Konvektionsmodelle 117 4.2. CFD–Simulation mit EasyCFD 124 4.3. Zusammenfassung und Bewertung der Konvektionsmodelle 125 5. Herleitung und Anwendung des Simulationsmodells 127 5.1. Benennung und Beschreibung der Wärmetransportmechanismen 127 5.2. Algorithmus zur thermischen Simulation von transparenten Bauteilen 140 5.3. Auswertung der Messung und der Simulation bei Kastenfenstern 148 5.4. Validierte thermische Simulation der Kastenfenster 156 5.5. Auswertung der Messung bei dem Dachliegefenster 160 6. Energetische Ertüchtigung von Bestandsfenstern 163 6.1. Situation bei Bestandsfenstern 164 6.2. Beispiele für die energetische Fenstersanierung 166 6.2.1. Bestandskastenfenster 167 6.2.2. Kastenfenster mit K-Glass™ 171 6.2.3. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Innenflügelpaar 174 6.2.4. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Außenflügelpaar 178 6.2.5. Energetische Ertüchtigung durch zusätzliche Fensterebene 182 6.3. Ergebnisse der umgesetzten energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern 186 7. Zusammenfassung und Ausblick 187 Literaturverzeichnis 189 Anhang 197 Anhang I. Begriffe und Kennzahlen der Strömungsmechanik 197 Anhang II. Eigenschaften von Gasen nach DIN EN 673 199 Anhang III. Berechnung des optimalen Scheibenabstandes 202 Anhang IV. Simulation des optimalen Scheibenabstandes 205 Anhang V. Hinweise zur statistischen Auswertung 208 / Climate protection is a challenge and a responsibility, especially towards future generations. One component of climate protection is the considerable reduction of the energy consumption of existing buildings. When renovating older buildings or even buildings that have been declared monuments, the preservation of the original substance and appearance places increased demands on all those involved in the construction. For an energetic retrofitting of historic windows, which also meet future requirements for climate protection, this work shows that a detailed planning and a structural-physical consideration are necessary. This work makes a contribution so that in the future the thermal behavior of the individual components (glazing, edge seal, frame) of the energetically upgraded window can be realistically simulated and evaluated. Based on an exemplary energetic refurbishment of an architectural monument, which also meets future climate protection requirements, the experiences of the production of the high-performance windows of the model building were presented via the observations over a period of more than 15 years. During the literature research on the state of the art in science and technology on the subject of calculation and simulation of transparent building components, special attention was paid to free convection in the closed space between the panes. Based on this, a parameter study and an evaluation of convection models were carried out. The numerical simulation program [DELPHIN] developed at the Institute of Building Climatology is based on the finite volume method for opaque building components and considers the coupled heat, moisture, air and salt transport for 1D, 2D and 3D problems. This program was further developed in parallel to this work by the DELPHIN development team on the basis of validations by means of measurements at the windows of the model building around the free convection in the closed cavity to a program for the calculation of transparent building components. In addition, hygrothermal damage predictions can be made in engineering practice with this program, taking moisture storage into account. Compared to CFD simulation, only a fraction of the computing power and computing time is required. The approach to capture all essential parameters with measurements of surface temperature and global radiation perpendicular to the facade plane and to validate the simulation model and the program by post-simulation of pane surface temperatures in the inter-box space has proven to be successful. The validation under real conditions increases the acceptance of this simulation, especially in practice. The developed simulation model represents a tool for the scientifically supported further development of modern windows for the industry. In the future, it should contribute to the optimization of other transparent components such as thermal solar collectors as well as the combination of thermal solar collectors and PV collectors. Another target group of this work are professional planners and specialized companies, which have specialized in the energetic renovation of existing windows. The simulations of the box-type windows have shown that in the component and building simulation, the consideration of the absorption of short-wave radiation and the resulting changes in free convection and long-wave radiation exchange in the closed cavities cannot be neglected. The error in the monthly balance method for the calculation of the heating energy demand is with 2-pane glazing is still acceptable. In the case of highly energy-efficient multi-pane glazing, the normative static calculation procedure should be used for the U-value calculation of transparent glazing components should preferably be replaced by a thermal simulation. Here, the climatic location and orientation should be taken into account for the absorption of short-wave radiation. A simplification for a monthly balance procedure for the respective climate locations of the test reference years (TRY) [DWD] is conceivable. For the component and building simulation using hourly values and even smaller time steps as well as in the heat period, this model extension has to be implemented. By the realistic simulation of the pane surface temperatures on the room side, the sensation temperature can be calculated and subsequently a comfort evaluation can be carried out. The results of the investigations in the model building and the simulation are incorporated into proposals for the energy upgrading of existing windows by means of narrow thermal insulation glazing with reduced emissivity. On the basis of this model, the optimum of the space between the panes of the individual noble gases can be determined as a function of the inclination. The model gives the opportunity to evaluate and subsequently minimize damage processes that affect the durability of transparent building components. For the building simulation, the simulation of the heat fluxes of the glazing and a consideration of the radiation transmission is recommended. The separate simulation of U-values is not to be preferred. The advice on the design or evaluation of the impairment due to condensation and frost formation on the outside of the glazing of transparent constructions should be continued by implementing the slope dependence of convection in the software and a validation by comparing measurement and simulation.:1. Motivation, Ausgangssituation und Ziele 9 1.1. Motivation 9 1.2. Ziele, Thesen, Methodik und Relevanz des Dissertationsthemas 11 1.3. Strukturierung der Arbeit 16 2. Modellgebäude Handwerk 15 in Görlitz 17 2.1. Energetisches Gesamtkonzept 18 2.1.1. Dämmmaßnahmen 19 2.1.2. Erneuerung Anlagentechnik 20 2.2. Geschichte und Beurteilung des Denkmalwertes des Modellobjektes 24 2.3. Besondere Anforderungen an die Fenster am Beispiel des Gebäudes Handwerks 15 32 2.3.1. Brandschutzanforderungen 32 2.3.2. Schallschutzanforderungen 33 2.3.3. Belichtung 33 2.3.4. Architektonische Anforderungen-Beibehaltung des historischen Erscheinungsbildes 34 2.4. Energetische Ertüchtigung der Fenster des Modellgebäudes 37 2.4.1. Ausgangssituation 37 2.4.2. Verwendete Verglasung und Low-e-Beschichtung 39 2.4.3. Holz-Kastenfenster mit 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 41 2.4.4. Holz-Einfachfenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 44 2.5. Messungen und Beobachtungen am Modellgebäude 46 2.5.1. Messkonzept und Dokumentation des Monitorings und Messerfassungssystems 47 2.5.2. Messaufbau zur Erfassung des Innen- und Außenklimas 48 2.5.3. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 2. OG Nord 50 2.5.4. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 1. DG Süd 54 2.5.5. Bauteilmessstrecke Dachliegefenster, Nord, 2. DG 57 2.5.6. Beschreibung von bauphysikalischen Vorgängen bei den Verglasungen 63 2.5.7. Beschreibung von physikalischen Schadprozessen bei Fenstern 65 2.5.8. Zusammenfassung und Fazit aus den Messungen und den Beobachtungen 70 3. Stand der Wissenschaft und Technik 71 3.1. Aktuelle europäische Normung 72 3.2. Analytisches Modell für die Konvektion innerhalb des Scheibenzwischenraumes 78 3.3. Modell nach ISO 15 099 88 3.4. Modell nach Hollands, Unny, Raithby und Konicek u. a. 90 3.5. Modellzusammenstellung nach Klan und Thess 93 3.6. CFD-Simulationen von Mehrscheibenverglasungen 96 3.6.1. CFD-Simulationen im Vergleich zur DIN EN 673 96 3.6.2. CFD-Simulationen in Kombination mit Messungen im Versuchsstand 102   3.7. Übersicht über die Umsetzung der Verglasungsmodelle in den Computerprogrammen 104 3.7.1. Programm glaCE 3.03 von Glas-Trösch 105 3.7.2. Programm Calumen II 1.3.3/ CalumenLive von SAINT-GOBAIN GLASS 105 3.7.3. Programmpaket Optics, Windows und Therm mit Übergabe in Energy Plus 105 3.7.4. Einzonensimulationsprogramm Therakles 3.0 vom Institut für Bauklimatik 110 3.7.5. Programme der Energieeinsparverordnung 111 3.7.6. Programmpaket PHPP 8 111 3.7.7. Übersicht über die Software zur Berechnung von Verglasungskennwerten 112 3.8. Übersicht über die thermische Beanspruchung von Verglasungen 113 4. Vergleich und Bewertung der Konvektionsmodelle 117 4.1. Analytische Konvektionsmodelle 117 4.2. CFD–Simulation mit EasyCFD 124 4.3. Zusammenfassung und Bewertung der Konvektionsmodelle 125 5. Herleitung und Anwendung des Simulationsmodells 127 5.1. Benennung und Beschreibung der Wärmetransportmechanismen 127 5.2. Algorithmus zur thermischen Simulation von transparenten Bauteilen 140 5.3. Auswertung der Messung und der Simulation bei Kastenfenstern 148 5.4. Validierte thermische Simulation der Kastenfenster 156 5.5. Auswertung der Messung bei dem Dachliegefenster 160 6. Energetische Ertüchtigung von Bestandsfenstern 163 6.1. Situation bei Bestandsfenstern 164 6.2. Beispiele für die energetische Fenstersanierung 166 6.2.1. Bestandskastenfenster 167 6.2.2. Kastenfenster mit K-Glass™ 171 6.2.3. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Innenflügelpaar 174 6.2.4. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Außenflügelpaar 178 6.2.5. Energetische Ertüchtigung durch zusätzliche Fensterebene 182 6.3. Ergebnisse der umgesetzten energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern 186 7. Zusammenfassung und Ausblick 187 Literaturverzeichnis 189 Anhang 197 Anhang I. Begriffe und Kennzahlen der Strömungsmechanik 197 Anhang II. Eigenschaften von Gasen nach DIN EN 673 199 Anhang III. Berechnung des optimalen Scheibenabstandes 202 Anhang IV. Simulation des optimalen Scheibenabstandes 205 Anhang V. Hinweise zur statistischen Auswertung 208