Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung von Verbindungsgeometrien für ebene, textilbewehrte Betonbauteile auf Basis der Klebtechnik. Zur Charakterisierung des Tragverhaltens geeigneter Verbindungen werden umfangreiche experimentelle Verbunduntersuchungen auf Garn- und Bauteilebene durchgeführt. Mit den so gestalteten Verbindungen mit nachträglichem Verguss lassen sich die Referenzlasten des ungestörten Bauteils erreichen, wobei eine weitere Optimierung der Klebung zur Gewährleistung einer vereinfachten Herstellbarkeit und eines reproduzierbaren Versagensverhaltens anzustreben ist.

Anforderungen an Verbindungen, Verbindungstechnik, Fügen, Modellierungspraxis, Beispiel Verschraubung, Beispiel Klebverbindung, Beispiel Schweißung, Thesen zu Simulationen in der Verbindungstechnik

Zugl.: Paderborn, Univ., Diss. M. Müller, 2009

Zugl.: Paderborn, Univ., Diss. T. Baron, 2009

Die hier dargelegte Dissertation ist motiviert durch die Vorschläge von Joyce, Doan und Walpuski zur Definitionen enumerativer Invarianten für G2-Mannigfaltigkeit, durch das Zählen gewisser kalibrierter Untermannigfaltigkeiten, sogenannter assoziativen Untermannigfaltigkeiten. In Kapitel 1, werde ich Definitionen und grundlegende Fakten über G2-Mannigfaltigkeit und deren assoziative Untermannigfaltigkeit wiederholen. Darüber hinaus erläutere ich die Konstruktion von G2-Mannigfaltigkeit als verdrehte verbundener Summe. Kapitel 2 schafft die nötige Grundlage für das darauf folgende dritte Kapitel. Hier definiere ich den Modul-Raum der asymptotisch zylindrischen assoziativen Untermannigfaltigkeiten zusammen mit seiner natürlichen Topologie und zeige, dass der Modul-Raum lokal homeomorph zur Urbild-Menge der Null einer glatten Abbildung zwischen zwei endlich-dimensionalen Räu- men ist. In besonderen Fällen ist dieser Modul-Raum eine Lagrangesche Untermannigfaltigkeit des Modul Raums der holomorphen Kurven einer asymptotisch zylindrischen Calabi-Yau Man- nigfaltigkeit. In Kapitel 3 beweise ich ein Klebe-Theorem für ein Paar von asymptotisch zylindrischen as- soziativen Untermannigfaltigkeiten in einem zusammenpassenden Paar von asymptotisch zylin- drischen G2-Mannigfaltigkeiten. Hiermit konstruiere ich neue geschlossene und starre (rigid) assoziative Untermannigfaltigkeiten in verdrehten verbundenen Summe G2-Mannigfaltigkeiten. In Kapitel 4 untersuche ich den Modul-Raum der konisch singulären assoziativen Un- termannigfaltigkeiten in G2-Mannigfaltigkeiten. Durch das Umformulieren des Indexes des Operators, der die Deformationstheorie kontrolliert, in bestimmte Stabilität-Indizes des zu- grundeliegenden assoziativen Kegels begründe ich, dass in einem generischen Pfad in dem Raum der ko-geschlossenen G2-Strukturen keine asymptotisch konischen assoziative Unter- mannigfaltigkeiten existieren, die mindestens eine Singularität besitzen, die auf einem Kegel mit Stabiltätsindex größer als eins modeliert werden. Dieses Resultat lässt sich auf alle speziellen Lagrangesche-Kegel außer den Harvey-Lawson-T2-Kegel und die Vereinigung zweier speziellen Lagrangesche-Flächen anwenden. Zusätzlich lässt sich das Ergebnis auch auf alle konischen assoziativen Untermannigfaltigkeiten anwenden, deren zugrundeliegende Verschlingung (link) holomorphe Kurven mit Null-Torsion in S6 sind. Des Weiteren dienen Teile des vierten Kapitels als Grundlage für das darauf folgende Kapitel 5. Aufgrund einiger Übergangsphänomene entlang eines generischen Pfades von G2-Strukturen, führt das naive Zählen von assoziativen Untermannigfaltigkeiten zu keiner Invariante. Tat- sächlich wurde vermutet, dass a) eine assoziative Untermannigfaltigkeit aus einer assoziativen Untermannigfaltigkeit mit Selbstsschnitt (self-intersection) geboren werden kann, und, dass b) drei assoziative Untermannigfaltigkeiten aus einer konisch singulären assoziativen Un- termannigfaltigkeit, deren Singularität durch den Harvey-Lawson-T2-Kegel modelliert wird, entspringen. In Kapitel 5, beweise ich ein Desingularitätstheorem für konisch singulären assoziative Untermannigfaltigkeit entlang eines Pfades von ko-geschlossenen G2-Strukturen. Somit verifiziere ich Vermutung b) bewiesen und teilweise auch Vermutung a). / The dissertation presented here is motivated from the proposals made by Joyce, Doan and Walpuski to define enumerative invariants of G2-manifolds by counting certain calibrated submanifolds, called associative submanifolds. In Chapter 1, I review the definitions and basic facts of G2-manifolds and associative submanifolds. Moreover, I explain the construction of G2-manifolds as twisted connected sums. Chapter 2 serves as a necessary groundwork for Chapter 3. Here, I define the moduli space of asymptotically cylindrical associative submanifolds with its natural topology and prove that the moduli space is locally homeomorphic to the zero set of a smooth map between two finite-dimensional spaces. In the best scenario, this moduli space is a Lagrangian submanifold of the moduli space of holomorphic curves in the asymptotic Calabi-Yau 3-fold. In Chapter 3, I prove a gluing theorem for a pair of asymptotically cylindrical associative submanifolds in a matching pair of asymptotically cylindrical G2-manifolds. Using this I construct new closed and rigid associative submanifolds of twisted connected sum G2-manifolds. In Chapter 4, I study the moduli space of conically singular associative submanifolds in G2-manifolds. By reformulating the index of the operator that controls the deformation theory in terms of certain stability-index of the associative cones, I establish that in a generic path of co-closed G2-structures there are no conically singular associative submanifolds that have at least one singularity modeled on a cone of stability-index greater than one. This result applies to all special Lagrangian cones, except the Harvey-Lawson T2-cone and a union of two special Lagrangian planes. Additionally, it applies to all associative cones whose links are null-torsion holomorphic curves in S6. Furthermore, parts of Chapter 4 also serve as a necessary groundwork for Chapter 5. The naive counting of associative submanifolds does not lead to an invariant due to several transitions that may occur along a generic path of G2-structures. In fact it was conjectured that a) an associative submanifold born out of an associative submanifold with self intersection, and b) three associative submanifolds arise from a conically singular associative submanifold whose singularity is modeled on Harvey-Lawson T2-cone. In Chapter 5, I prove a desingularization theorem for conically singular associative submanifolds along a path of co-closed G2-structures. Consequently, I verify conjecture b) and partially confirm conjecture a).

Im Konstruktiven Glasbau ist es keine Besonderheit mehr, Glasträger für Dachkonstruktionen und Glasschwerter in Fassaden einzusetzen, um leichte, transparente und in den Hintergrund tretende Tragkonstruktionen umzusetzen. Für die Fügung dieser tragenden Bauteile werden bisher Verbindungsmittel aus Edelstahl eingesetzt, die optisch beeinträchtigen, Bohrungen im Glas erfordern und ungünstige Spannungsspitzen im Glas hervorrufen. Demgegenüber ist das Kleben für den spröden Werkstoff Glas ein materialgerechteres Fügeverfahren. Die Untersuchung einer flächigen Klebverbindung zum Lastabtrag zwischen tragenden Glas-Bauteilen im Primärtragwerk ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Bei einer relativ großen Schichtdicke bildet die transparente Ausführung eine ganz wesentliche Prämisse. Ein weiterer Anspruch liegt in der Alterungsbeständigkeit und der Tragfähigkeit. An einer Auswahl von 14 potentiell geeigneten, transparenten Acrylat-, Epoxidharz- und Polyurethanklebstoffen werden mit Hilfe thermomechanischer und mechanischer Prüfverfahren temperaturabhängige Materialeigenschaften ermittelt. Ergänzend wird die Langzeitbeständigkeit der Klebstoffe durch eine künstliche Alterung im Verbund überprüft. Im Anschluss erfolgt die Ermittlung der lichttechnischen Eigenschaften sowie die visuelle Beurteilung der Sichtproben. Im Resultat wird ein UV- und lichthärtender Acrylatklebstoff als besonders geeignet identifiziert. Für diesen Klebstoff werden Haftfestigkeitsuntersuchungen im Druckscherversuch unter Temperatur- und Alterungseinflüssen sowie Zeitstandversuche an Substanzproben und kleinen Prüfkörpern durchgeführt. Für den Einsatz in einer flächigen Klebung wird ein geeignetes Dosier- und Aushärteverfahren entwickelt. Der Tragfähigkeitsnachweis der geklebten Verbindung erfolgt an großformatigen Bauteilmustern. Bei diesen Versuchen wird jeweils die Belastbarkeitsgrenze des Glases erreicht, während die Klebung intakt bleibt. Ein Zeitstandversuch dient zur Aufzeichnung des Kriechverhaltens an Bauteilmustern bei erhöhter Temperatur. Begleitend zum Entstehen der vorliegenden Arbeit werden mehrere Bauvorhaben mit Ganzglaskonstruktionen umgesetzt. Der Verzicht auf jegliche metallische Verbindungsmittel stellt bei diesen Objekten in Deutschland ein bauaufsichtliches und bautechnisches Novum dar. Die Fügung von Glasstütze und Glasträger innerhalb des gläsernen Primärtragwerks erfolgt ausschließlich und erstmals über eine transparente Acrylatklebung, deren Ausführung auf Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit basiert. Die umschließende Verglasung wird mit einem zugelassenen Silikonklebstoff an der Tragkonstruktion befestigt. Zwei der beschriebenen Bauvorhaben werden seit der Erstellung in einem umfangreichen Monitoring beobachtet, um weitergehende Aussagen zum Langzeitverhalten der Klebungen zu erhalten. Die weitgehenden Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wie auch des laufenden Monitorings sollen Bedeutung und Zuverlässigkeit der transparenten, lastabtragenden Klebungen im Konstruktiven Glasbau belegen helfen. / The use of glass beams in transparent roofs and glass fins as part of the facade is already state-of-the-art construction to achieve a transparent and lightweight appearance. Until now, mechanical fasteners made from stainless steel are used to join these structural components. Those fasteners visually interfere, require holes in the glass and cause unfavorable stress peaks in the glass. In contrast, adhesive bonding is much more appropriate to join the brittle material glass. The subject of this dissertation is the study of a planar adhesive joint which transfers the load between the load-bearing glass components into the primary structure. With a relatively large layer thickness, the manufacturing of the transparent joint represents a major challenge. Furthermore, the aging resistance and the load-bearing capacity must be proven. A selection of 14 potentially suitable, transparent adhesives of acrylate, epoxy resin and polyurethane are tested for temperature-depending material properties. These tests are based on thermo-mechanical and mechanical test methods. In addition, the long-term durability of the adhesives is verified by artificial aging test on bonded specimens. Subsequently, the photometric characteristics and the visual quality of the samples are assessed. As the result an UV- and light-curing acrylate adhesive is identified as particularly suitable. Compression shear tests under temperature and aging influences as well as creep tests are performed on substance samples and small-scale specimens to determine the adhesive strength of this adhesive. A suitable application and curing process is developed for use in planar bonded joints. Tests on specimen components were carried out to determine the load-bearing capacity of the bonded glass frame corners. In these experiments, the glass fails while the adhesive joint remains intact. Creep test are used to record the creep deformation of component specimen at increased temperature. Accompanying the study, several building projects are realized to use adhesive bonding technology in all-glass constructions. Without any visible forms of connection, the glass construction represents a significant innovation in Germany in terms of both building legislation and building technology. It´s the first time, glass fins and glass beams are joint to a glass primary structural system via transparent acrylate adhesive. The connection method is based on the findings of the present study. The glass panels of the envelope are joined to the primary glass structure with an approved silicone adhesive. Two of the described construction projects are monitored to obtain further knowledge about the long-term behaviour of the bonded joints. The comprehensive studies of this thesis as well as the ongoing monitoring have proven the significance and the reliability of transparent, load-bearing bonded joints in the field of glass construction.

Im Konstruktiven Glasbau ist es keine Besonderheit mehr, Glasträger für Dachkonstruktionen und Glasschwerter in Fassaden einzusetzen, um leichte, transparente und in den Hintergrund tretende Tragkonstruktionen umzusetzen. Für die Fügung dieser tragenden Bauteile werden bisher Verbindungsmittel aus Edelstahl eingesetzt, die optisch beeinträchtigen, Bohrungen im Glas erfordern und ungünstige Spannungsspitzen im Glas hervorrufen. Demgegenüber ist das Kleben für den spröden Werkstoff Glas ein materialgerechteres Fügeverfahren. Die Untersuchung einer flächigen Klebverbindung zum Lastabtrag zwischen tragenden Glas-Bauteilen im Primärtragwerk ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Bei einer relativ großen Schichtdicke bildet die transparente Ausführung eine ganz wesentliche Prämisse. Ein weiterer Anspruch liegt in der Alterungsbeständigkeit und der Tragfähigkeit. An einer Auswahl von 14 potentiell geeigneten, transparenten Acrylat-, Epoxidharz- und Polyurethanklebstoffen werden mit Hilfe thermomechanischer und mechanischer Prüfverfahren temperaturabhängige Materialeigenschaften ermittelt. Ergänzend wird die Langzeitbeständigkeit der Klebstoffe durch eine künstliche Alterung im Verbund überprüft. Im Anschluss erfolgt die Ermittlung der lichttechnischen Eigenschaften sowie die visuelle Beurteilung der Sichtproben. Im Resultat wird ein UV- und lichthärtender Acrylatklebstoff als besonders geeignet identifiziert. Für diesen Klebstoff werden Haftfestigkeitsuntersuchungen im Druckscherversuch unter Temperatur- und Alterungseinflüssen sowie Zeitstandversuche an Substanzproben und kleinen Prüfkörpern durchgeführt. Für den Einsatz in einer flächigen Klebung wird ein geeignetes Dosier- und Aushärteverfahren entwickelt. Der Tragfähigkeitsnachweis der geklebten Verbindung erfolgt an großformatigen Bauteilmustern. Bei diesen Versuchen wird jeweils die Belastbarkeitsgrenze des Glases erreicht, während die Klebung intakt bleibt. Ein Zeitstandversuch dient zur Aufzeichnung des Kriechverhaltens an Bauteilmustern bei erhöhter Temperatur. Begleitend zum Entstehen der vorliegenden Arbeit werden mehrere Bauvorhaben mit Ganzglaskonstruktionen umgesetzt. Der Verzicht auf jegliche metallische Verbindungsmittel stellt bei diesen Objekten in Deutschland ein bauaufsichtliches und bautechnisches Novum dar. Die Fügung von Glasstütze und Glasträger innerhalb des gläsernen Primärtragwerks erfolgt ausschließlich und erstmals über eine transparente Acrylatklebung, deren Ausführung auf Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit basiert. Die umschließende Verglasung wird mit einem zugelassenen Silikonklebstoff an der Tragkonstruktion befestigt. Zwei der beschriebenen Bauvorhaben werden seit der Erstellung in einem umfangreichen Monitoring beobachtet, um weitergehende Aussagen zum Langzeitverhalten der Klebungen zu erhalten. Die weitgehenden Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wie auch des laufenden Monitorings sollen Bedeutung und Zuverlässigkeit der transparenten, lastabtragenden Klebungen im Konstruktiven Glasbau belegen helfen. / The use of glass beams in transparent roofs and glass fins as part of the facade is already state-of-the-art construction to achieve a transparent and lightweight appearance. Until now, mechanical fasteners made from stainless steel are used to join these structural components. Those fasteners visually interfere, require holes in the glass and cause unfavorable stress peaks in the glass. In contrast, adhesive bonding is much more appropriate to join the brittle material glass. The subject of this dissertation is the study of a planar adhesive joint which transfers the load between the load-bearing glass components into the primary structure. With a relatively large layer thickness, the manufacturing of the transparent joint represents a major challenge. Furthermore, the aging resistance and the load-bearing capacity must be proven. A selection of 14 potentially suitable, transparent adhesives of acrylate, epoxy resin and polyurethane are tested for temperature-depending material properties. These tests are based on thermo-mechanical and mechanical test methods. In addition, the long-term durability of the adhesives is verified by artificial aging test on bonded specimens. Subsequently, the photometric characteristics and the visual quality of the samples are assessed. As the result an UV- and light-curing acrylate adhesive is identified as particularly suitable. Compression shear tests under temperature and aging influences as well as creep tests are performed on substance samples and small-scale specimens to determine the adhesive strength of this adhesive. A suitable application and curing process is developed for use in planar bonded joints. Tests on specimen components were carried out to determine the load-bearing capacity of the bonded glass frame corners. In these experiments, the glass fails while the adhesive joint remains intact. Creep test are used to record the creep deformation of component specimen at increased temperature. Accompanying the study, several building projects are realized to use adhesive bonding technology in all-glass constructions. Without any visible forms of connection, the glass construction represents a significant innovation in Germany in terms of both building legislation and building technology. It´s the first time, glass fins and glass beams are joint to a glass primary structural system via transparent acrylate adhesive. The connection method is based on the findings of the present study. The glass panels of the envelope are joined to the primary glass structure with an approved silicone adhesive. Two of the described construction projects are monitored to obtain further knowledge about the long-term behaviour of the bonded joints. The comprehensive studies of this thesis as well as the ongoing monitoring have proven the significance and the reliability of transparent, load-bearing bonded joints in the field of glass construction.

Die moderne Architektur ist durch gläserne Fassaden und ausgefallene Konstruktionen aus Glas geprägt. Dabei wird Glas nicht nur als raumabschließendes Element verwendet, sondern auch konstruktiv eingesetzt und zunehmend an der Lastabtragung beteiligt. Die Integration von Glaselementen in die Baukonstruktion erfolgt über linien- oder punktförmige Lagerungen. Dabei können mechanisch ausgeführte Halterungen lokale Beanspruchungen und damit Glasversagen verursachen. Eine Alternative bilden Klebverbindungen, welche ein materialgerechtes Konstruieren im Glasbau ermöglichen. Kommerziell wird hierfür eine Vielzahl von Klebstoffen angeboten. Neben der Auswahl eines geeigneten Klebstoffsystems können dauerhafte adhäsive Verbindungen aber meist nur mit Hilfe von Oberflächenvorbehandlungen der Fügeteile gewährleistet werden. Aufgrund der langen Standzeiten von Bauwerken sind große Beständigkeiten von geklebten Verbindungen notwendig, welche nur durch den Aufbau von möglichst hohen Haftungskräften zwischen Fügeteiloberflächen und Klebstoffpolymer erreichbar sind. Spezielle Vorbehandlungsverfahren sorgen für eine bessere Benetzbarkeit der Oberflächen und schaffen zudem energetisch aktive Zentren, die mit den Klebstoffen in Wechselwirkung treten können. Viele der insbesondere für metallische Materialien industriell etablierten Oberflächenvorbehandlungen sind allerdings wenig zukunftsträchtig, da diese Verfahren häufig den Einsatz ätzender, hochgiftiger und umweltgefährdender Substanzen notwendig machen. Hierin liegt der Ansatzpunkt der vorliegenden Arbeit. In verschiedenen Industriebereichen, wie dem Automobilbau, der Elektrotechnik und der Dentalmedizin werden bereits neu entwickelte Oberflächenvorbehandlungsverfahren auf Basis von Plasma- und Abscheidungstechnologien eingesetzt. Daraus ergibt sich die Fragestellung nach der Anwendbarkeit solcher Verfahren auf Fügeteilmaterialien des Konstruktiven Glasbaus und nach dem Nutzen dieser Oberflächenvorbehandlungen in Bezug auf die Optimierung von strukturellen Klebungen. Für die Ermittlung optimaler Eigenschaften von Oberflächen für den klebtechnischen Prozess werden ausgewählte Fügeteile aus Edelstahl, Aluminium und Messing sowie Einscheibensicherheitglas aus Kalk-Natronsilikatglas physikalischen und chemischen Oberflächenanalysen vor und nach der Anwendung von vier verschiedenen Oberflächenvorbehandlungsverfahren unterzogen. Zudem werden die Haftungseigenschaften nach der Vorbehandlung an geklebten Prüfkörpern vor und nach Alterung untersucht. Aus den daraus erhaltenen Ergebnissen wird der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf die Festigkeit der Klebverbindungen bestimmt. Die durchgeführten Untersuchungen ergeben sehr unterschiedliche, stark substrat- und klebstoffabhängige Wirkungsweisen der einzelnen Oberflächenvorbehandlungen. Als geeignetes Verfahren in Bezug auf die Verbesserungen des Adhäsionsvermögens und der Alterungsbeständigkeit, die Integrierbarkeit in maschinelle Herstellungsprozesse und die Vermeidung optischer Veränderung der Oberflächen stellt sich die Flammensilikatisierung heraus. Die mit dieser Oberflächenvorbehandlung aufgebrachte, dichte Silikatschicht und deren chemische Aktivität sowie deren vollständige Benetzbarkeit bieten beste Voraussetzungen für die Verklebung verschiedener Fügeteilmaterialien mit unterschiedlichsten Klebstoffen. / The modern architecture is affected by glass facades and novel glass structures. Therein glass is not only used as space enclosing element, rather it finds more and more constructive application and it is increasingly involved in load transfer. State of the art for the integration of glass elements in buildings are mechanically designed point and linear fixings. But they may cause local stresses followed by glass breakage. An alternative to these fixations are adhesive joints which more respect the specific requirements of the fragile material glass. A wide variety of adhesives is already available for this purpose. For strong adhesive joints not only the selection of a suitable adhesive is essential. The surface quality, which can be enhanced by surface treatments, is just as important for a very good adhesion. Due to the long life expectancy of buildings, a permanently aging resistance of the adhesive joints is necessary. For that, a formation of the highest possible adhesion forces between adhesive polymer and adherend surface is essential. Special surface treatment processes ensure a better wettability of the surfaces and also create energetically active sites that can interact with the adhesive molecules. However, many of the industrially established surface pretreatments, especially those for metallic materials, are not sustainable, since these methods often use corrosive, highly toxic and environmentally hazardous substances. This is the basis of the present dissertation. In various industries, such as automotive, electrical engineering and dentistry, newly developed surface treatment methods based on plasma and deposition technologies are already used. This raises the question of the applicability of such methods on materials for glass constructions and of their benefit to the optimization of structural adhesive joints. The effect of four different surface treatment methods used on the surfaces of stainless steel, aluminum, brass and toughened safety glass made from soda-lime glass is investigated in experimental studies. Physical and chemical surface analyses are performed before and after the applications. In addition, the adhesion properties of bonded specimens with pretreated surfaces are examined before and after aging. The influence of the surface conditions on the strength of the adhesive joints is determined from the obtained results. The results show very different effects of the individual surface treatment methods with high dependences on substrate and adhesive. With regard to an increase of adhesion strength, a good aging resistance, an uncomplicated integration into automated production processes and an avoidance of changing the optical surface properties, the investigated combustion chemical vapour deposition is the most suitable method. With this pretreatment, a dense silicate layer is deposite on the surface. Its high chemical activity and its complete wettability offer the best conditions for bonding a variety of materials with different adhesives.

Anforderungen an Verbindungen, Verbindungstechnik, Fügen, Modellierungspraxis, Beispiel Verschraubung, Beispiel Klebverbindung, Beispiel Schweißung, Thesen zu Simulationen in der Verbindungstechnik

Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung von Verbindungsgeometrien für ebene, textilbewehrte Betonbauteile auf Basis der Klebtechnik. Zur Charakterisierung des Tragverhaltens geeigneter Verbindungen werden umfangreiche experimentelle Verbunduntersuchungen auf Garn- und Bauteilebene durchgeführt. Mit den so gestalteten Verbindungen mit nachträglichem Verguss lassen sich die Referenzlasten des ungestörten Bauteils erreichen, wobei eine weitere Optimierung der Klebung zur Gewährleistung einer vereinfachten Herstellbarkeit und eines reproduzierbaren Versagensverhaltens anzustreben ist.