Glasträger sind in einer auf Transparenz ausgerichteten Bauweise zunehmend gefragt. Üblicherweise bestehen diese lastabtragenden Elemente aus mehreren Glasscheiben, verbunden mit Polyvinylbutyral-Folie (PVB-Folie), und gleichen in ihrem Aufbau somit Verbund-Sicherheitsglas (VSG). VSG-Träger besitzen bei vollständigem Glasbruch keine Resttragfähigkeit und werden daher in Dicke und Aufbau mit dem Ziel ausgelegt, vollständigen Glasbruch zu vermeiden. Hybride Glasträger kombinieren in der Regel Glas mit einem duktilen Material und besitzen im Falle des vollständigen Glasbruchs ein duktiles Versagensverhalten. Sie stellen damit eine vielversprechende Option zur Erfüllung des geforderten Sicherheitsniveaus bei Glasträgern dar. Die in der vorliegenden Arbeit betrachteten hybriden Träger entstehen durch die flächige Verklebung von Glas- und transparenten Kunststoffscheiben mit einem ebenfalls transparenten Klebstoff. Bei vollständigem Glasbruch stellt sich ein Tragverhalten ein, bei dem infolge des Klebstoffverbunds der Kunststoff die Zugspannungen und das gebrochene Glas weiterhin Druckspannungen aufnimmt. Die erste Auswahl von Klebstoff und Kunststoff basiert auf Voruntersuchungen an kleinformatigen Prüfkörpern. Die erforderliche Kantenqualität von Floatglas wurde anhand von Vierpunkt-Biegeuntersuchungen bestimmt. Zur weiteren Beurteilung der Eignung des Klebstoffs dienen Klimawechseltests an kleinformatigen Hybridbauteilen, da zwischen Glas und Kunststoff deutliche Unterschiede in der Temperaturausdehnung vorliegen. Aufbauend auf den durchgeführten Untersuchungen wurden das Kunststoffmaterial Polycarbonat und ein niedrigviskoser UV- und strahlungshärtender Acrylatklebstoff, der im ausgehärteten Zustand über hohe Nachgiebigkeit verfügt, für die weiteren mechanischen Untersuchungen an Prüfkörpern im Bauteilformat ausgewählt. Kurzzeitversuche mit kraftgesteuerter Belastungsaufbringung und unter Variation von Polycarbonatdicke, Trägerhöhe und Glasart geben Aufschluss über das Trag- und Resttragfähigkeitsverhalten. Sie stellen die prinzipielle Wirkweise der Hybridträger vor und nach Bruch dar. Vergleichende Versuche an VSG-Trägern demonstrieren die fehlende Resttragfähigkeit dieser Elemente. Belastungsversuche an reinen Polycarbonatscheiben verdeutlichen die Notwendigkeit der Stabilisierung der Hybridträger durch das gebrochene Glas. Langzeitversuche fanden bei statischer Belastung der intakten und gebrochenen Hybridträger statt. Lasthöhe und Belastungsdauer der gebrochenen Träger orientieren sich an realistischen Einsatzbedingungen. Die Versuche zeigen die Unterschiede bei der Entwicklung des Bruchbilds aufgrund der geringeren Last und ermöglichen die Untersuchung des Resttragfähigkeitsverhaltens unter Dauerlast sowie des Ablaufs und der Hintergründe des Trägerversagens. Aufbauend auf den durchgeführten Versuchen erfolgt eine Einteilung der unterschiedlichen Trägerzustände in drei Stadien mit Angaben zu einer einfachen analytischen Betrachtung. Die Diskussion der erhaltenen Ergebnisse sowie ein Ausblick auf weiteren Untersuchungsbedarf schließen die Arbeit ab. / In transparency-oriented architecture, glass beams are increasingly in demand. These load-bearing elements usually consist of multiple glass panes, bonded with polyvinyl butyral foil (PVB foil), and are comparable to laminated safety glass. These glass beams do not assure any level of post-breakage performance after complete glass breakage. Therefore glass thickness and assembly of the beams are chosen with the objective of avoiding complete glass breakage at all costs. Hybrid glass beams typically combine glass with a ductile material and offer a ductile failure mode in case of complete glass breakage. For this reason they represent a promising solution to meet the required safety levels for glass beams. This study deals with hybrid glass beams which are made by bonding panes of glass and transparent plastics using a transparent adhesive. In case of complete glass breakage the plastic material, which is connected to the glass by the adhesive bond, bears the tensile stress whereas the glass is still able to carry the compressive stress. The pre-selection of plastic and adhesive is based on preliminary tests on small specimens. The required quality of the edges of annealed glass was determined by specific four-point bending tests. Because of the considerable difference in thermal expansion between glass and plastics, alternating climate tests were executed on small hybrid components to further evaluate the suitability of the adhesive. Based on the research conducted, the plastic material polycarbonate and a UV- and light-curing acrylate adhesive, which shows a very flexible behavior when hardened, were chosen for further mechanical tests on larger specimens. Short-term tests with constantly increasing load and varying polycarbonate thickness, beam height and glass type provide information on the load-bearing capacity before and the residual load-bearing capacity after glass breakage of the hybrid beams. Comparative tests on laminated glass beams demonstrate the missing residual load-bearing capacity of these components. Loading tests on polycarbonate panes illustrate the need for stabilization of the hybrid beams by the broken glass. Long-term tests were executed by static loading of the intact and broken hybrid beams. The load level and the load duration of the broken beams are based on realistic working conditions. The tests show the difference in the development of the fracture pattern resulting of the lower load and allow the examination of the residual load-bearing capacity at continuous load as well as the process and the reasons behind the beam failure. Based on the tests conducted, three different states of the hybrid beams are categorized and detailed for their easy analytical approach. A discussion of the obtained results and an outlook on further needed research complete the study.

Glasträger sind in einer auf Transparenz ausgerichteten Bauweise zunehmend gefragt. Üblicherweise bestehen diese lastabtragenden Elemente aus mehreren Glasscheiben, verbunden mit Polyvinylbutyral-Folie (PVB-Folie), und gleichen in ihrem Aufbau somit Verbund-Sicherheitsglas (VSG). VSG-Träger besitzen bei vollständigem Glasbruch keine Resttragfähigkeit und werden daher in Dicke und Aufbau mit dem Ziel ausgelegt, vollständigen Glasbruch zu vermeiden. Hybride Glasträger kombinieren in der Regel Glas mit einem duktilen Material und besitzen im Falle des vollständigen Glasbruchs ein duktiles Versagensverhalten. Sie stellen damit eine vielversprechende Option zur Erfüllung des geforderten Sicherheitsniveaus bei Glasträgern dar. Die in der vorliegenden Arbeit betrachteten hybriden Träger entstehen durch die flächige Verklebung von Glas- und transparenten Kunststoffscheiben mit einem ebenfalls transparenten Klebstoff. Bei vollständigem Glasbruch stellt sich ein Tragverhalten ein, bei dem infolge des Klebstoffverbunds der Kunststoff die Zugspannungen und das gebrochene Glas weiterhin Druckspannungen aufnimmt. Die erste Auswahl von Klebstoff und Kunststoff basiert auf Voruntersuchungen an kleinformatigen Prüfkörpern. Die erforderliche Kantenqualität von Floatglas wurde anhand von Vierpunkt-Biegeuntersuchungen bestimmt. Zur weiteren Beurteilung der Eignung des Klebstoffs dienen Klimawechseltests an kleinformatigen Hybridbauteilen, da zwischen Glas und Kunststoff deutliche Unterschiede in der Temperaturausdehnung vorliegen. Aufbauend auf den durchgeführten Untersuchungen wurden das Kunststoffmaterial Polycarbonat und ein niedrigviskoser UV- und strahlungshärtender Acrylatklebstoff, der im ausgehärteten Zustand über hohe Nachgiebigkeit verfügt, für die weiteren mechanischen Untersuchungen an Prüfkörpern im Bauteilformat ausgewählt. Kurzzeitversuche mit kraftgesteuerter Belastungsaufbringung und unter Variation von Polycarbonatdicke, Trägerhöhe und Glasart geben Aufschluss über das Trag- und Resttragfähigkeitsverhalten. Sie stellen die prinzipielle Wirkweise der Hybridträger vor und nach Bruch dar. Vergleichende Versuche an VSG-Trägern demonstrieren die fehlende Resttragfähigkeit dieser Elemente. Belastungsversuche an reinen Polycarbonatscheiben verdeutlichen die Notwendigkeit der Stabilisierung der Hybridträger durch das gebrochene Glas. Langzeitversuche fanden bei statischer Belastung der intakten und gebrochenen Hybridträger statt. Lasthöhe und Belastungsdauer der gebrochenen Träger orientieren sich an realistischen Einsatzbedingungen. Die Versuche zeigen die Unterschiede bei der Entwicklung des Bruchbilds aufgrund der geringeren Last und ermöglichen die Untersuchung des Resttragfähigkeitsverhaltens unter Dauerlast sowie des Ablaufs und der Hintergründe des Trägerversagens. Aufbauend auf den durchgeführten Versuchen erfolgt eine Einteilung der unterschiedlichen Trägerzustände in drei Stadien mit Angaben zu einer einfachen analytischen Betrachtung. Die Diskussion der erhaltenen Ergebnisse sowie ein Ausblick auf weiteren Untersuchungsbedarf schließen die Arbeit ab. / In transparency-oriented architecture, glass beams are increasingly in demand. These load-bearing elements usually consist of multiple glass panes, bonded with polyvinyl butyral foil (PVB foil), and are comparable to laminated safety glass. These glass beams do not assure any level of post-breakage performance after complete glass breakage. Therefore glass thickness and assembly of the beams are chosen with the objective of avoiding complete glass breakage at all costs. Hybrid glass beams typically combine glass with a ductile material and offer a ductile failure mode in case of complete glass breakage. For this reason they represent a promising solution to meet the required safety levels for glass beams. This study deals with hybrid glass beams which are made by bonding panes of glass and transparent plastics using a transparent adhesive. In case of complete glass breakage the plastic material, which is connected to the glass by the adhesive bond, bears the tensile stress whereas the glass is still able to carry the compressive stress. The pre-selection of plastic and adhesive is based on preliminary tests on small specimens. The required quality of the edges of annealed glass was determined by specific four-point bending tests. Because of the considerable difference in thermal expansion between glass and plastics, alternating climate tests were executed on small hybrid components to further evaluate the suitability of the adhesive. Based on the research conducted, the plastic material polycarbonate and a UV- and light-curing acrylate adhesive, which shows a very flexible behavior when hardened, were chosen for further mechanical tests on larger specimens. Short-term tests with constantly increasing load and varying polycarbonate thickness, beam height and glass type provide information on the load-bearing capacity before and the residual load-bearing capacity after glass breakage of the hybrid beams. Comparative tests on laminated glass beams demonstrate the missing residual load-bearing capacity of these components. Loading tests on polycarbonate panes illustrate the need for stabilization of the hybrid beams by the broken glass. Long-term tests were executed by static loading of the intact and broken hybrid beams. The load level and the load duration of the broken beams are based on realistic working conditions. The tests show the difference in the development of the fracture pattern resulting of the lower load and allow the examination of the residual load-bearing capacity at continuous load as well as the process and the reasons behind the beam failure. Based on the tests conducted, three different states of the hybrid beams are categorized and detailed for their easy analytical approach. A discussion of the obtained results and an outlook on further needed research complete the study.

Die Solarstromerzeugung mit Photovoltaikmodulen entwickelt sich zu einer wesentlichen Säule der Energieversorgung. Dabei kann die Integration der Module in die Gebäudehülle die Nachhaltigkeit der Systeme verbessern und neue Anwendungen in der Architektur erschließen. Die vorliegende Arbeit untersucht die bautechnischen Anforderungen, die sich bei der gebäudeintegrierten Verwendung von Photovoltaikmodulen im Hinblick auf die Sicherheit von Bauteilen aus Glas ergeben. Diese Anforderungen betreffen die materielle Zusammensetzung als Bauprodukt, die Konstruktionsweise und die zu erbringenden Nachweise. Die alleinige Produktqualifizierung nach der elektrotechnischen Normung und die üblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen in der Modulproduktion bieten hierfür keine hinreichende Grundlage, da sie keine charakteristischen Materialkennwerte liefern. Infolgedessen bedarf die Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle in vielen Fällen gesonderter Zustimmungs- oder Zulassungsverfahren. Resttragfähigkeitsprüfungen an Glas-Glas-Photovoltaikmodulen verfolgten das Ziel, die mechanischen Sicherheitseigenschaften gängiger Modulaufbauten im Vergleich zu Verbund-Sicherherheitsglas zu ermitteln. Auf der Grundlage der Ergebnisse lassen sich die untersuchten Aufbauten als mindestens gleichwertig beurteilen. Mit einer bauaufsichtlichen Einstufung geeigneter Modulaufbauten als Verbund-Sicherherheitsglas könnte sich der zusätzliche Nachweisaufwand für gebäudeintegrierte Photovoltaik erheblich reduzieren. Im Vierpunkt-Biegeversuch wurde der Einfluss der Glasbeschichtung mit Dünnschichtsolarzellen auf die Festigkeit der verwendeten Gläser analysiert. Die für eine praktikable Qualitätssicherung durch die Hersteller wünschenswerte Prüfung im Fertigungsformat der Module erforderte eine Modifikation der Probengeometrie. Numerische Berechnungen konnten die Anwendbarkeit des Prüf- und Auswertungsverfahrens auf die vergrößerte Probenbreite nachweisen. Bei beiden untersuchten Dünnschichttechnologien ließ sich die Randentschichtung als Ursache für eine leichte Reduzierung der Biegezugfestigkeit identifizieren. Dabei blieben Mindestwerte für das Basisprodukt Floatglas eingehalten. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Nachweis der mechanischen Leistungseigenschaften von Photovoltaikmodulen, die für den Einsatz als Bauprodukt erforderlich sind. Darüber hinaus können die entwickelten Empfehlungen für die photovoltaikspezifischen Entwurfs- und Planungsaufgaben einen ganzheitlichen und interdisziplinären Planungs- und Bauablauf erleichtern. / Solar electricity produced by photovoltaic systems will play a major role in future energy supply systems. Integrating photovoltaic modules into the envelopes of buildings can improve the sustainability of these systems and stimulate new architectural applications. This thesis investigates the structural requirements related to building-integrated photovoltaic modules with regard to the structural safety of architectural glazing components. These requirements apply to the materials used, the structural design and the verification procedures. Neither type approval according to the electrical engineering standards nor customary quality control in module production provides characteristic material properties. Therefore, these standards are not sufficient to determine and declare the performance of a construction product. As a result, building-integrated photovoltaic modules require individual approval in many cases. Residual strength testing of glass-glass photovoltaic modules was carried out with the aim of determining the mechanical safety properties of common module configurations in comparison with laminated safety glass. Based on the results, the configurations tested can be evaluated to provide an equivalent safety level. The classification of suitable module configurations as laminated safety glass in the building codes could significantly reduce the need for additional testing and approval, and thus facilitate the use of building-integrated photovoltaics. The influence of photovoltaic thin-film coatings on the bending strength of the float glass used as a substrate or superstrate was analysed by applying four-point bending tests. As the direct use of full-size photovoltaic-coated glass sheets as samples would simplify quality control by the manufacturers, the dimensions of the specimens were modified with respect to the existing testing standard. Numerical calculations demonstrated the applicability of the test and evaluation procedures when the larger specimen width was used. For both types of investigated thin-film PV technology, edge ablation was determined to cause a slight reduction in the bending strength. The specimens tested still met the minimum values for float glass. The thesis contributes to knowledge on the mechanical performance of photovoltaic modules that are required for use as construction products. In addition, recommendations on the specific design and planning tasks for building-integrated photovoltaics were developed to promote a holistic and interdisciplinary planning and construction process.

Die Solarstromerzeugung mit Photovoltaikmodulen entwickelt sich zu einer wesentlichen Säule der Energieversorgung. Dabei kann die Integration der Module in die Gebäudehülle die Nachhaltigkeit der Systeme verbessern und neue Anwendungen in der Architektur erschließen. Die vorliegende Arbeit untersucht die bautechnischen Anforderungen, die sich bei der gebäudeintegrierten Verwendung von Photovoltaikmodulen im Hinblick auf die Sicherheit von Bauteilen aus Glas ergeben. Diese Anforderungen betreffen die materielle Zusammensetzung als Bauprodukt, die Konstruktionsweise und die zu erbringenden Nachweise. Die alleinige Produktqualifizierung nach der elektrotechnischen Normung und die üblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen in der Modulproduktion bieten hierfür keine hinreichende Grundlage, da sie keine charakteristischen Materialkennwerte liefern. Infolgedessen bedarf die Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle in vielen Fällen gesonderter Zustimmungs- oder Zulassungsverfahren. Resttragfähigkeitsprüfungen an Glas-Glas-Photovoltaikmodulen verfolgten das Ziel, die mechanischen Sicherheitseigenschaften gängiger Modulaufbauten im Vergleich zu Verbund-Sicherherheitsglas zu ermitteln. Auf der Grundlage der Ergebnisse lassen sich die untersuchten Aufbauten als mindestens gleichwertig beurteilen. Mit einer bauaufsichtlichen Einstufung geeigneter Modulaufbauten als Verbund-Sicherherheitsglas könnte sich der zusätzliche Nachweisaufwand für gebäudeintegrierte Photovoltaik erheblich reduzieren. Im Vierpunkt-Biegeversuch wurde der Einfluss der Glasbeschichtung mit Dünnschichtsolarzellen auf die Festigkeit der verwendeten Gläser analysiert. Die für eine praktikable Qualitätssicherung durch die Hersteller wünschenswerte Prüfung im Fertigungsformat der Module erforderte eine Modifikation der Probengeometrie. Numerische Berechnungen konnten die Anwendbarkeit des Prüf- und Auswertungsverfahrens auf die vergrößerte Probenbreite nachweisen. Bei beiden untersuchten Dünnschichttechnologien ließ sich die Randentschichtung als Ursache für eine leichte Reduzierung der Biegezugfestigkeit identifizieren. Dabei blieben Mindestwerte für das Basisprodukt Floatglas eingehalten. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Nachweis der mechanischen Leistungseigenschaften von Photovoltaikmodulen, die für den Einsatz als Bauprodukt erforderlich sind. Darüber hinaus können die entwickelten Empfehlungen für die photovoltaikspezifischen Entwurfs- und Planungsaufgaben einen ganzheitlichen und interdisziplinären Planungs- und Bauablauf erleichtern. / Solar electricity produced by photovoltaic systems will play a major role in future energy supply systems. Integrating photovoltaic modules into the envelopes of buildings can improve the sustainability of these systems and stimulate new architectural applications. This thesis investigates the structural requirements related to building-integrated photovoltaic modules with regard to the structural safety of architectural glazing components. These requirements apply to the materials used, the structural design and the verification procedures. Neither type approval according to the electrical engineering standards nor customary quality control in module production provides characteristic material properties. Therefore, these standards are not sufficient to determine and declare the performance of a construction product. As a result, building-integrated photovoltaic modules require individual approval in many cases. Residual strength testing of glass-glass photovoltaic modules was carried out with the aim of determining the mechanical safety properties of common module configurations in comparison with laminated safety glass. Based on the results, the configurations tested can be evaluated to provide an equivalent safety level. The classification of suitable module configurations as laminated safety glass in the building codes could significantly reduce the need for additional testing and approval, and thus facilitate the use of building-integrated photovoltaics. The influence of photovoltaic thin-film coatings on the bending strength of the float glass used as a substrate or superstrate was analysed by applying four-point bending tests. As the direct use of full-size photovoltaic-coated glass sheets as samples would simplify quality control by the manufacturers, the dimensions of the specimens were modified with respect to the existing testing standard. Numerical calculations demonstrated the applicability of the test and evaluation procedures when the larger specimen width was used. For both types of investigated thin-film PV technology, edge ablation was determined to cause a slight reduction in the bending strength. The specimens tested still met the minimum values for float glass. The thesis contributes to knowledge on the mechanical performance of photovoltaic modules that are required for use as construction products. In addition, recommendations on the specific design and planning tasks for building-integrated photovoltaics were developed to promote a holistic and interdisciplinary planning and construction process.

Glas und Beton sind sich in wesentlichen Materialeigenschaften ähnlich: Beide zeigen gegenüber einer hohen Druckfestigkeit eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit und versagen spröde. Diese Analogie führte zur Entwicklung bewehrter Glasträger, die sich durch eine aufgeklebte Stahllasche an ihrer Biegezugkante auszeichnen. Dadurch wurden die Übertragung von Zugkräften auch im Rissfall möglich, sodass ein duktiles Bauteilverhalten erreicht und der im Konstruktiven Glasbau notwendige Nachweis der Resttragfähigkeit erfüllt wird. Glasträger mit verbundlos vorgespannter Bewehrung – Spannglasträger – stellen die Fortführung dieses Analogiegedankens dar. Neben einer gezielten Steigerung der Erstrisslast, können die Träger planmäßig überhöht werden. Damit wird einer bisher üblichen Überdimensionierung mit der Anordnung nicht ausgenutzter „Opferscheiben“ entgegen gewirkt und sichere sowie materialeffiziente Konstruktionen mit maximaler Transparenz ermöglicht. Diese Konstruktionsweise wurde bislang ausschließlich für einzelne Sondierungsuntersuchungen in breiter Variantenvielfalt genutzt. Eine Systematik und einheitliche Bezeichnungsweise ist nicht vorhanden. Darüber hinaus beschränken sich verfügbare Ergebnisse auf die Beschreibung der Tragfähigkeit, ohne die Resttragfähigkeit explizit zu belegen oder die Dauerhaftigkeit nachzuweisen. Mit dieser Arbeit wurde anhand einer Analogiebetrachtung zum Eurocode 2 eine Bezeichnungsweise für bewehrte und vorgespannte Glasträger entwickelt und für vorhandene Konstruktionen erfolgreich angewendet. Darin zeigt sich, dass der Stand der Technik auf diese Weise charakterisierbar ist. Zusätzlich wird die These aufgestellt, dass sich das Tragverhalten von Spannglasträgern wie im Stahlbeton- und Spannbetonbau beschreiben und die auftretenden Spannkraftverluste analog berechnen lassen. Diese These wird mithilfe experimenteller Studien als Kern dieser Arbeit untersucht und durch eine ergänzende numerische Modellierung bestätigt. Zunächst wird das Tragverhalten im Kurzzeit-Biegeversuch an 15 Prüfkörpern unter variierten Bewehrungsgraden und Vorspannkräften untersucht. Dabei zeigen sich gesteigerte Erstrisslasten sowie ein sicheres Verhalten im Anschluss an die Belastung. Durch die Vorspannung wird das Tragverhalten gezielt beeinflusst. Zusätzlich erbringt eine zerstörungsfreie Untersuchungsreihe an 28 Prüfkörpern unter konstanter Gebrauchslast über 1000 Stunden erstmals eine Beschreibung der auftretenden Spannkraftverluste. Diese sind maßgeblich von der horizontalen Durchbiegung sowie der daraus resultierenden Belastung der Zwischenschicht im Verbund-Sicherheitsglas abhängig. Aus der Größenordnung der Verluste lässt sich schlussfolgern, dass eine Begrenzung dieses Verformungsanteils sowie eine konstruktive Entlastung der Zwischenschicht notwendig sind. Zudem wird die Änderung der Vorspannkraft unter einer Temperaturlast beschrieben. Im Ergebnis zeigt sich, dass dieser Lastfall mittels der linearen Balkentheorie beschreibbar und der damit assoziierte Spannkraftverlust berechenbar ist. Die Resttragfähigkeit von 24 Spannglasträgern wird mithilfe eines eigens entwickelten Prüfverfahrens bestätigt. Während die Bewehrung einerseits eine Überbrückung von Rissflanken ermöglicht, verursacht die Vorspannkraft andererseits im teilzerstörten Tragsystem bisweilen ein frühzeitiges Versagen. Daher wird empfohlen, die baukonstruktive Detailentwicklung zu intensivieren, um einen größeren Sicherheitsvorteil aus der Konstruktionsweise zu generieren. Die Arbeit beinhaltet erstmals eine systematische Datensammlung zum Tragverhalten von Spannglasträgern. Es zeigt sich, dass auf eine Anordnung von „Opferscheiben“ zugunsten einer steigenden Materialeffizienz nicht nur verzichtet werden kann, sondern im Sinne eines effektiven Tragverhaltens verzichtet werden muss. Mit der vorgeschlagenen Bezeichnungsweise, den abgeleiteten konstruktiven Maßnahmen sowie den gezeigten Untersuchungsmethoden besteht nunmehr die Möglichkeit, sichere und dauerhafte Spannglasträger zu entwerfen und deren Trageffizienz zu belegen. / Glass and concrete share essential material characteristics: Their compressive strength exceeds their tensile strength considerably and both of them fail in a brittle manner. This analogy led to the development of reinforced glass beams, which are improved by means of adhesively bonded steel sections in the tensile zone. This improvement allowed for a direct transfer of tensile loads in a post-breakage state and resulted in a ductile structural element, which met the special demand of structural glass for a sufficient residual loadbearing capacity. Glass beams with unbonded, post-tensioned reinforcement – Spannglass Beams – carry this analogy concept on. The members will comprise an increased initial fracture strength and may be uplifted intentionally. This development has rendered the need for over-dimensioning by removing unnecessary sacrificial layers, which will result in a material efficient structure and will maximise transparency. Solely single exploratory investigations have used this idea in a wide variety of options so far. There is neither a uniform classification nor a consistent nomenclature. Furthermore, available results are limited to the concise description of the short-term load-bearing properties without proving the residual load-bearing capacity explicitly and confirming longterm durability. This thesis describes the development and the application of a nomenclature for reinforced and pre-compressed glass beams in an analogy study according to Eurocode 2. The state of technology can be characterised in this manner. Additionally, the research describes the load-bearing behaviour as well as the calculation of the loss of pre-stress of Spannglass Beams by analogy with concrete structures. As the key section of this thesis, this statement is examined by means of comprehensive experimental studies and completed by a numerical calculation. Primarily, the load-bearing behaviour of 15 specimens in short-term bending tests and a variety of reinforcement ratios and pre-stress levels were determined. The results show an increase of initial fracture strength as well as safe behaviour after failure. The pre-stress changes the load-bearing performance significantly. Furthermore, a non-destructive study including a constant loading for 1000 h describes the loss of pre-stress in 28 specimens for the first time. The horizontal deflection and the thus resulting shear stresses of the interlayer material of a laminated glass section are the critical parameters. From the magnitude of losses it may be concluded that the deflections need to be limited and the interlayer foils need to be relieved from stress. Moreover, the structural response during a change in temperature is in good agreement with the results obtained from linear beam theory. This allows for an estimation of the associated losses. Finally, a specifically developed test approach confirms the residual load-bearing capacity of 24 specimens. The reinforcement shows the ability to bridge cracks in the glass. However, it should be noted that pre-stress occasionally causes an early failure of the partially broken Spannglass cross-section. Therefore, intensifying the development of structural details in order to generate an increased advantage concerning safety is recommended. This contribution contains a systematic acquisition of analytical, experimental and numerical data regarding the loadbearing characteristics of Spannglass Beams for the first time. The use of a sacrificial layers is not necessary. Even more, to reach the most effective load-bearing behaviour, it is necessary to abandon them completely. Implementing the developed nomenclature, realising the recommended structural provisions and using the proposed methods, it is now possible to compose safe and durable Spannglass Beams as well as prove their structural efficiency.

Glas und Beton sind sich in wesentlichen Materialeigenschaften ähnlich: Beide zeigen gegenüber einer hohen Druckfestigkeit eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit und versagen spröde. Diese Analogie führte zur Entwicklung bewehrter Glasträger, die sich durch eine aufgeklebte Stahllasche an ihrer Biegezugkante auszeichnen. Dadurch wurden die Übertragung von Zugkräften auch im Rissfall möglich, sodass ein duktiles Bauteilverhalten erreicht und der im Konstruktiven Glasbau notwendige Nachweis der Resttragfähigkeit erfüllt wird. Glasträger mit verbundlos vorgespannter Bewehrung – Spannglasträger – stellen die Fortführung dieses Analogiegedankens dar. Neben einer gezielten Steigerung der Erstrisslast, können die Träger planmäßig überhöht werden. Damit wird einer bisher üblichen Überdimensionierung mit der Anordnung nicht ausgenutzter „Opferscheiben“ entgegen gewirkt und sichere sowie materialeffiziente Konstruktionen mit maximaler Transparenz ermöglicht. Diese Konstruktionsweise wurde bislang ausschließlich für einzelne Sondierungsuntersuchungen in breiter Variantenvielfalt genutzt. Eine Systematik und einheitliche Bezeichnungsweise ist nicht vorhanden. Darüber hinaus beschränken sich verfügbare Ergebnisse auf die Beschreibung der Tragfähigkeit, ohne die Resttragfähigkeit explizit zu belegen oder die Dauerhaftigkeit nachzuweisen. Mit dieser Arbeit wurde anhand einer Analogiebetrachtung zum Eurocode 2 eine Bezeichnungsweise für bewehrte und vorgespannte Glasträger entwickelt und für vorhandene Konstruktionen erfolgreich angewendet. Darin zeigt sich, dass der Stand der Technik auf diese Weise charakterisierbar ist. Zusätzlich wird die These aufgestellt, dass sich das Tragverhalten von Spannglasträgern wie im Stahlbeton- und Spannbetonbau beschreiben und die auftretenden Spannkraftverluste analog berechnen lassen. Diese These wird mithilfe experimenteller Studien als Kern dieser Arbeit untersucht und durch eine ergänzende numerische Modellierung bestätigt. Zunächst wird das Tragverhalten im Kurzzeit-Biegeversuch an 15 Prüfkörpern unter variierten Bewehrungsgraden und Vorspannkräften untersucht. Dabei zeigen sich gesteigerte Erstrisslasten sowie ein sicheres Verhalten im Anschluss an die Belastung. Durch die Vorspannung wird das Tragverhalten gezielt beeinflusst. Zusätzlich erbringt eine zerstörungsfreie Untersuchungsreihe an 28 Prüfkörpern unter konstanter Gebrauchslast über 1000 Stunden erstmals eine Beschreibung der auftretenden Spannkraftverluste. Diese sind maßgeblich von der horizontalen Durchbiegung sowie der daraus resultierenden Belastung der Zwischenschicht im Verbund-Sicherheitsglas abhängig. Aus der Größenordnung der Verluste lässt sich schlussfolgern, dass eine Begrenzung dieses Verformungsanteils sowie eine konstruktive Entlastung der Zwischenschicht notwendig sind. Zudem wird die Änderung der Vorspannkraft unter einer Temperaturlast beschrieben. Im Ergebnis zeigt sich, dass dieser Lastfall mittels der linearen Balkentheorie beschreibbar und der damit assoziierte Spannkraftverlust berechenbar ist. Die Resttragfähigkeit von 24 Spannglasträgern wird mithilfe eines eigens entwickelten Prüfverfahrens bestätigt. Während die Bewehrung einerseits eine Überbrückung von Rissflanken ermöglicht, verursacht die Vorspannkraft andererseits im teilzerstörten Tragsystem bisweilen ein frühzeitiges Versagen. Daher wird empfohlen, die baukonstruktive Detailentwicklung zu intensivieren, um einen größeren Sicherheitsvorteil aus der Konstruktionsweise zu generieren. Die Arbeit beinhaltet erstmals eine systematische Datensammlung zum Tragverhalten von Spannglasträgern. Es zeigt sich, dass auf eine Anordnung von „Opferscheiben“ zugunsten einer steigenden Materialeffizienz nicht nur verzichtet werden kann, sondern im Sinne eines effektiven Tragverhaltens verzichtet werden muss. Mit der vorgeschlagenen Bezeichnungsweise, den abgeleiteten konstruktiven Maßnahmen sowie den gezeigten Untersuchungsmethoden besteht nunmehr die Möglichkeit, sichere und dauerhafte Spannglasträger zu entwerfen und deren Trageffizienz zu belegen.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Vorgehensweise 1.4 Abgrenzung 2 Analogiebetrachtung 2.1 Zielsetzung 2.2 Anwendungsbereich 2.3 Begriffe 2.3.1 Bewehrte und hybride Glastragwerke 2.3.2 Thermische und mechanische Vorspannung 2.3.3 Spanngliedkonstruktion und Spannverfahren 2.3.4 Lage und Verlauf des Spanngliedes 2.3.5 Weitere Begriffe 2.4 Grundlagen der Tragwerksplanung 2.5 Baustoffe 2.5.1 Festigkeit 2.5.2 Elastische Formänderungseigenschaften 2.5.3 Kriechen und Schwinden 2.5.4 Bewehrungsmaterial 2.5.5 Komponenten von Spannsystemen 2.5.6 Querschnittsgestaltung 2.6 Dauerhaftigkeit 2.7 Schnittgrößenermittlung 2.7.1 Allgemeines 2.7.2 Imperfektionen 2.7.3 Idealisierung 2.7.4 Lineare Berechnung 2.7.5 Nichtlineare Berechnung 2.7.6 Zeitabhängigkeit der Vorspannkraft 2.7.7 Vorspannung während der Berechnung 2.8 Grenzzustände und Nachweise 2.8.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit 2.8.2 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 2.8.3 Nachweis der Resttragfähigkeit 2.9 Bewehrungs- und Konstruktionsregeln 2.10 Zusammenfassung 3 Experimentelle Untersuchungen 3.1 Zielsetzung 3.2 Prüfkörper – Konstruktion und Materialien 3.3 Tragverhalten unter kurzzeitiger Beanspruchung 3.3.1 Prüfkörper 3.3.2 Versuchseinrichtung 3.3.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.3.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.3.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.3.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.4 Tragverhalten unter Dauerlast 3.4.1 Prüfkörper 3.4.2 Versuchseinrichtung 3.4.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.4.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.4.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.4.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.5 Resttragfähigkeit 3.5.1 Prüfkörper 3.5.2 Versuchseinrichtung 3.5.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.5.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.5.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.5.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.6 Tragverhalten unter Temperaturbelastung 3.6.1 Prüfkörper 3.6.2 Versuchseinrichtung 3.6.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.6.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.6.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.6.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.7 Zusammenfassung 4 Numerische Untersuchungen 4.1 Zielsetzung 4.2 Modellbeschreibung 4.2.1 Systembeschreibung 4.2.2 Einwirkungen 4.2.3 Berechnung 4.3 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 4.3.1 Vergleich mit dem analytischen Modell 4.3.2 Modellierung der Umlenkung 4.3.3 Einfluss der Zwischenschicht 4.3.4 Auswahl eines Imperfektionswertes 4.3.5 Seilkraftverlust im Dauerversuch 4.4 Zusammenfassung 5 Diskussion 5.1 Zielsetzung 5.2 Tragverhalten unter kurzzeitiger Beanspruchung 5.2.1 Tragverhalten unter Vorspannbelastung 5.2.2 Trag- und Bruchverhalten unter Biegebelastung 5.2.3 Rissverhalten unter Biegebelastung 5.2.4 Spannungszuwachs in der Bewehrung 5.3 Tragverhalten unter Dauerbelastung 5.4 Resttragfähigkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Konstruktive Empfehlungen 6.1 Zielsetzung 6.2 Teilprojekte 6.2.1 Forschungsprojekt „Glasträger mit Bewehrung“ 6.2.2 Spannglasbrücke – glasstec 2014 6.2.3 Fußgängerbrücke in Nara (Japan) 2015 6.3 Verankerungen 6.3.1 Tragfähigkeit der Verankerung 6.3.2 Seilkrafteinleitung 6.3.3 Toleranzausgleich 6.3.4 Neigungsausgleich 6.4 Vorspannverfahren 6.5 Umlenkpunkte 6.5.1 Geklotzte Umlenkpunkte 6.5.2 Geklebte Umlenkpunkte 6.6 Montage 6.7 Weiterführende Konstruktionen 6.7.1 Spannglasträger mit nachträglichem Verbund 6.7.2 Segmentbauweise 6.8 Zusammenfassung 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick 8 Literatur 8.1 Fachbücher und Fachaufsätze 8.2 Normen und Richtlinien Bezeichnungen Abbildungsverzeichnis und -nachweis Tabellenverzeichnis A Analytische Schnittgrößenberechnung B Kurzzeit-Biegeversuche C Dauerversuche 1000 h D Versuche zur Resttragfähigkeit E Biegeversuche unter Temperaturlast F SOFiSTiK Quelltext / Glass and concrete share essential material characteristics: Their compressive strength exceeds their tensile strength considerably and both of them fail in a brittle manner. This analogy led to the development of reinforced glass beams, which are improved by means of adhesively bonded steel sections in the tensile zone. This improvement allowed for a direct transfer of tensile loads in a post-breakage state and resulted in a ductile structural element, which met the special demand of structural glass for a sufficient residual loadbearing capacity. Glass beams with unbonded, post-tensioned reinforcement – Spannglass Beams – carry this analogy concept on. The members will comprise an increased initial fracture strength and may be uplifted intentionally. This development has rendered the need for over-dimensioning by removing unnecessary sacrificial layers, which will result in a material efficient structure and will maximise transparency. Solely single exploratory investigations have used this idea in a wide variety of options so far. There is neither a uniform classification nor a consistent nomenclature. Furthermore, available results are limited to the concise description of the short-term load-bearing properties without proving the residual load-bearing capacity explicitly and confirming longterm durability. This thesis describes the development and the application of a nomenclature for reinforced and pre-compressed glass beams in an analogy study according to Eurocode 2. The state of technology can be characterised in this manner. Additionally, the research describes the load-bearing behaviour as well as the calculation of the loss of pre-stress of Spannglass Beams by analogy with concrete structures. As the key section of this thesis, this statement is examined by means of comprehensive experimental studies and completed by a numerical calculation. Primarily, the load-bearing behaviour of 15 specimens in short-term bending tests and a variety of reinforcement ratios and pre-stress levels were determined. The results show an increase of initial fracture strength as well as safe behaviour after failure. The pre-stress changes the load-bearing performance significantly. Furthermore, a non-destructive study including a constant loading for 1000 h describes the loss of pre-stress in 28 specimens for the first time. The horizontal deflection and the thus resulting shear stresses of the interlayer material of a laminated glass section are the critical parameters. From the magnitude of losses it may be concluded that the deflections need to be limited and the interlayer foils need to be relieved from stress. Moreover, the structural response during a change in temperature is in good agreement with the results obtained from linear beam theory. This allows for an estimation of the associated losses. Finally, a specifically developed test approach confirms the residual load-bearing capacity of 24 specimens. The reinforcement shows the ability to bridge cracks in the glass. However, it should be noted that pre-stress occasionally causes an early failure of the partially broken Spannglass cross-section. Therefore, intensifying the development of structural details in order to generate an increased advantage concerning safety is recommended. This contribution contains a systematic acquisition of analytical, experimental and numerical data regarding the loadbearing characteristics of Spannglass Beams for the first time. The use of a sacrificial layers is not necessary. Even more, to reach the most effective load-bearing behaviour, it is necessary to abandon them completely. Implementing the developed nomenclature, realising the recommended structural provisions and using the proposed methods, it is now possible to compose safe and durable Spannglass Beams as well as prove their structural efficiency.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Vorgehensweise 1.4 Abgrenzung 2 Analogiebetrachtung 2.1 Zielsetzung 2.2 Anwendungsbereich 2.3 Begriffe 2.3.1 Bewehrte und hybride Glastragwerke 2.3.2 Thermische und mechanische Vorspannung 2.3.3 Spanngliedkonstruktion und Spannverfahren 2.3.4 Lage und Verlauf des Spanngliedes 2.3.5 Weitere Begriffe 2.4 Grundlagen der Tragwerksplanung 2.5 Baustoffe 2.5.1 Festigkeit 2.5.2 Elastische Formänderungseigenschaften 2.5.3 Kriechen und Schwinden 2.5.4 Bewehrungsmaterial 2.5.5 Komponenten von Spannsystemen 2.5.6 Querschnittsgestaltung 2.6 Dauerhaftigkeit 2.7 Schnittgrößenermittlung 2.7.1 Allgemeines 2.7.2 Imperfektionen 2.7.3 Idealisierung 2.7.4 Lineare Berechnung 2.7.5 Nichtlineare Berechnung 2.7.6 Zeitabhängigkeit der Vorspannkraft 2.7.7 Vorspannung während der Berechnung 2.8 Grenzzustände und Nachweise 2.8.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit 2.8.2 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 2.8.3 Nachweis der Resttragfähigkeit 2.9 Bewehrungs- und Konstruktionsregeln 2.10 Zusammenfassung 3 Experimentelle Untersuchungen 3.1 Zielsetzung 3.2 Prüfkörper – Konstruktion und Materialien 3.3 Tragverhalten unter kurzzeitiger Beanspruchung 3.3.1 Prüfkörper 3.3.2 Versuchseinrichtung 3.3.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.3.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.3.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.3.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.4 Tragverhalten unter Dauerlast 3.4.1 Prüfkörper 3.4.2 Versuchseinrichtung 3.4.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.4.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.4.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.4.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.5 Resttragfähigkeit 3.5.1 Prüfkörper 3.5.2 Versuchseinrichtung 3.5.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.5.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.5.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.5.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.6 Tragverhalten unter Temperaturbelastung 3.6.1 Prüfkörper 3.6.2 Versuchseinrichtung 3.6.3 Untersuchungsverfahren und -bedingungen 3.6.4 Analyse- und Auswertungsverfahren 3.6.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 3.6.6 Folgerungen und Zusammenfassung 3.7 Zusammenfassung 4 Numerische Untersuchungen 4.1 Zielsetzung 4.2 Modellbeschreibung 4.2.1 Systembeschreibung 4.2.2 Einwirkungen 4.2.3 Berechnung 4.3 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 4.3.1 Vergleich mit dem analytischen Modell 4.3.2 Modellierung der Umlenkung 4.3.3 Einfluss der Zwischenschicht 4.3.4 Auswahl eines Imperfektionswertes 4.3.5 Seilkraftverlust im Dauerversuch 4.4 Zusammenfassung 5 Diskussion 5.1 Zielsetzung 5.2 Tragverhalten unter kurzzeitiger Beanspruchung 5.2.1 Tragverhalten unter Vorspannbelastung 5.2.2 Trag- und Bruchverhalten unter Biegebelastung 5.2.3 Rissverhalten unter Biegebelastung 5.2.4 Spannungszuwachs in der Bewehrung 5.3 Tragverhalten unter Dauerbelastung 5.4 Resttragfähigkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Konstruktive Empfehlungen 6.1 Zielsetzung 6.2 Teilprojekte 6.2.1 Forschungsprojekt „Glasträger mit Bewehrung“ 6.2.2 Spannglasbrücke – glasstec 2014 6.2.3 Fußgängerbrücke in Nara (Japan) 2015 6.3 Verankerungen 6.3.1 Tragfähigkeit der Verankerung 6.3.2 Seilkrafteinleitung 6.3.3 Toleranzausgleich 6.3.4 Neigungsausgleich 6.4 Vorspannverfahren 6.5 Umlenkpunkte 6.5.1 Geklotzte Umlenkpunkte 6.5.2 Geklebte Umlenkpunkte 6.6 Montage 6.7 Weiterführende Konstruktionen 6.7.1 Spannglasträger mit nachträglichem Verbund 6.7.2 Segmentbauweise 6.8 Zusammenfassung 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick 8 Literatur 8.1 Fachbücher und Fachaufsätze 8.2 Normen und Richtlinien Bezeichnungen Abbildungsverzeichnis und -nachweis Tabellenverzeichnis A Analytische Schnittgrößenberechnung B Kurzzeit-Biegeversuche C Dauerversuche 1000 h D Versuche zur Resttragfähigkeit E Biegeversuche unter Temperaturlast F SOFiSTiK Quelltext