Der Beulwiderstand ist ein spezifisches Qualitätskriterium von Außenhautteilen der Fahrzeugkarosserie. Er setzt sich zusammen aus Beulfestigkeit und Beulsteifigkeit. Die Beulfestigkeit ist definiert als Widerstandsfähigkeit des Bauteils gegen bleibende Verformungen der Oberfläche durch einwirkende Beullasten. Die Beulsteifigkeit bestimmt vor allem die haptische Qualitätswahrnehmung. Leichtbau-Bestrebungen führen zur Verringerung von Blechdicken auch bei Beplankungsteilen. Während die Beulfestigkeit dabei durch höhere Werkstofffestigkeiten aufrechterhalten werden kann, nimmt die Beulsteifigkeit überproportional stark ab. In der vorliegenden Arbeit wird die Bedeutung unterschiedlicher Steifigkeitsverläufe für die haptische Beurteilung der Bauteilqualität untersucht. Versuche an skalierten PKW-Dächern unterschiedlicher Stahlgüten und Ausreckungsgrade widerlegen tradierte Annahmen zur Korrelation von Kaltverfestigung und Beulsteifigkeit. Gezielte Eingriffe in den Ziehprozess doppelt gekrümmter Blechteile sowie Modifikationen der Randbedingungen bei der Beulprüfung werden erprobt und ihr Einfluss auf das Beulverhalten der Bauteile analysiert. Im Zusammenspiel aus analytischen Berechnungen, numerischen Modellen und physischen Experimenten wird ein neuartiger Lösungsansatz zur Erhöhung der Beulsteifigkeit von Außenhautteilen durch elastische Vorspannung entwickelt, der dem Phänomen der geometrischen Steifigkeit zuzuordnen ist. Die Validierung erfolgt zunächst an einfach gekrümmten Aluminiumblechen, anschließend an einer realen Karosseriebaugruppe. Bei allen Untersuchungen wurde großes Augenmerk auf Geometriegleichheit gelegt. Die vergleichende Beulprüfung von vorgespannten und spannungsfreien Versuchsteilen zeigt eine teilweise signifikante Zunahme der Beulsteifigkeit im Einklang mit den Ergebnissen der numerischen Simulation. Die zum Einsatz kommenden Betriebsmittel und Verfahren sind grundsätzlich geeignet für eine Anwendung in der automobilen Serienproduktion.:Bibliographische Beschreibung Referat Vorwort Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Werkstoffe der Karosserie-Außenhaut 2.1.1 Stahlblechgüten 2.1.2 Aluminiumblechgüten 2.2 Grundlagen der Blechumformung 2.3 Herstellung von Karosserieblechteilen und -baugruppen 2.4 Temperaturexposition von Karosseriebaugruppen 2.5 Beulverhalten von Karosserie-Außenhauteilen 2.5.1 Beulprüfung 2.5.2 Beulfestigkeit 2.5.3 Beulsteifigkeit 2.5.4 Abgrenzung von „Oilcanning“ und „Springbeulen“ 2.5.5 Ausdehnung der lokalen Beule 2.5.6 Untersuchungen von Asnafi und Vlahovic 2.6 Abhängigkeit des E-Moduls von Formänderung und Wärmebehandlung 2.6.1 Veränderlichkeit des E-Moduls bei Stahlwerkstoffen 2.6.2 Verhalten des E-Moduls von Aluminiumwerkstoffen 2.7 Versteifung durch Vorspannung und geometrische Steifigkeit 3 Motivation und Zielstellung 4 Beulprüfstand am ZUK 4.1 Aufbau, Funktion und Komponenten 4.2 Beschaffenheit des Indenters 4.3 Beschaffenheit der Prüfteilaufnahme 4.4 Steifigkeitsnachweis für das Gesamtsystem 4.5 Methodik zur Durchführung und Auswertung der Beulversuche 4.5.1 Durchführung der Versuche 4.5.2 Bereinigung und Auswertung der Messdaten 5 Grundlegende Voruntersuchungen 5.1 Subjektive Wahrnehmung der Beulsteifigkeit 5.2 Untersuchungen an skalierten Dachbeplankungen aus Stahl 5.2.1 Festlegung der elastischen Grenzbeultiefe 5.2.2 Sensitivitätsanalysen der Beulprüfung 5.2.3 Vermessung der Bauteile 5.2.4 Einfluss der Ausreckung auf die Beulsteifigkeit 5.2.5 Interpretation der Ergebnisse 5.3 Untersuchungen an doppelt gekrümmten Bauteilen ohne Vorspannung 5.3.1 Versuche zur Herstellung gezielt inhomogen ausgereckter Bauteile 5.3.2 Beulsteifigkeit und Beulfestigkeit unterschiedlich stark ausgereckter Bauteile 5.3.3 Beulsimulation mit AutoForm 5.3.4 Einfluss des E-Moduls auf die Beulsteifigkeit von Stahl- und Aluminiumblechteilen 5.4 Untersuchungen an rundgewalzten Bauteilen unter Vorspannung 5.4.1 Rundgewalzte Bauteile in freier Überbiegung 5.4.1.1 Elementare Berechnungsgrundlagen 5.4.1.2 Versuchsdurchführung und -ergebnisse 5.4.2 Rundgewalzte Bauteile bei zweiseitiger Zwangseinspannung 5.4.3 Rundgewalzte Bauteile in umlaufender Zwangseinspannung 5.4.4 Spannvorrichtung für einfach gekrümmte Teile 5.4.5 Versuche mit Spannvorrichtung 5.5 Untersuchungen an doppelt gekrümmten Bauteilen unter Vorspannung 5.5.1 Erzeugung der Vorspannung 5.5.2 Bauteilvermessung und Krümmungsanalyse 5.5.3 Beulprüfung und -ergebnisse 5.5.4 Korrelation von Krümmung, Vorspannung und Beulsteifigkeit 5.6 Numerische Berechnungen an doppelt gekrümmten, vorgespannten Bauteilen mit ANSYS 5.6.1 Modellierung und Berechnung eines realen Versuchsteils 5.6.2 Modellierung und Berechnung eines idealisierten Bauteils 5.7 Fazit der Voruntersuchungen 6 Lösungsansatz zur spannungsbasierten Erhöhung der Beulsteifigkeit 6.1 Plausibilisierung des semi-analytischen Modells mit dem Ritz-Raleigh-Verfahren 6.1.1 Entwicklung der Ausgangsgeometrien 6.1.2 Ermittlung der Dehnungen und Spannungen unter Vorspannung 6.1.3 Berechnung der Beulantwort 6.1.4 Teilautomatisierte Berechnung in MuPAD 6.1.5 Durchführung und Ergebnisse der semi-analytischen Berechnungen 6.2 Plausibilisierung des semi-analytischen Modells mit numerischen Methoden 6.2.1 Validierung des Elementtyps SHELL181 6.2.2 Numerische Berechnung und Vergleich der Ergebnisse mit dem semi-analytischen Modell 6.3 Fazit der semi-analytischen und numerischen Berechnungen 7 Anwendung steifigkeitserhöhender Vorspannungen auf einfach gekrümmte Bauteile 7.1 Verfahrensentwicklung zur Bauteilherstellung 7.2 Entwicklung der Formvorrichtung 7.2.1 Numerische Absicherung 7.2.2 Konstruktion der Formvorrichtung 7.2.3 Anfertigung und Erprobung 7.3 Bauteilherstellung und -charakterisierung 7.4 Beulprüfung und Ergebnisse 7.4.1 Initial- und Sekantensteifigkeit 7.4.2 Beulfestigkeit 7.5 Numerische Simulation 7.5.1 Vernetzung des Blechs 7.5.2 Erzeugung der Vorspannung 7.5.3 Simulation der Beulprüfung 7.5.4 Analyse der Beulgeometrie 7.6 Untersuchung des Temperatureinflusses auf die Vorspannung 7.6.1 Ergebnisse der Beulprüfung 7.6.2 Ergebnisse der Geometrievermessung 7.7 Fazit der Untersuchungen an relaxationsgeformten Aluminiumteilen unter Vorspannung 8 Validierung an einer realen Karosserie-Baugruppe 8.1 Auswahl des Realbauteils 8.2 Auswahl und Charakterisierung des Versuchsmaterials 8.3 Parameterstudie Blechdicke und E-Modul 8.4 Herstellung der Dachbeplankung in Sollform 8.4.1 Ziehen, Beschneiden und Abkanten 8.4.2 Formänderungsanalyse und optische Vermessung 8.5 Geometrieentwicklung der Dachbeplankung in Fehlstellung 8.5.1 Verfahrensentwicklung zur Fehlstellungserzeugung und -rückführung in die Sollform 8.5.2 Beulverhalten unter Einbeziehung von Ausdünnung und elasto-plastischem Materialverhalten 8.6 Herstellung der Dachbeplankung in Fehlstellung 8.6.1 Wirkflächenentwicklung für die Realteile mit AutoForm R6 8.6.2 Betriebsmittelbau und Bauteilherstellung 8.7 Herstellung von ZSBs mit spannungsfreier und spannungsbehafteter Beplankung 8.8 Vergleichende Beulprüfung 8.8.1 Beulsteifigkeit 8.8.2 Beulfestigkeit 8.8.3 Oilcanning und Springbeulen 8.8.4 Elastische Nachgiebigkeit des ZSB 8.8.5 Vergleich von Simulation und Experiment und Simulation 8.9 Fazit der Validierung an realen ZSBs 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literaturverzeichnis Anhang A Anhang B Anhang C Anhang D

Die Arbeit befasst sich mit der Simulation von Zweiwellen-Zahnriemengetrieben und deren Vorspannmethoden, insbesondere mit der relativ neuen Methode Spannring (ROLL-RING®). Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein analytisches Simulationsmodell zu entwickeln, mit dem grundlegende Erkenntnisse über das statische und dynamische Verhalten solcher ringgespannten Zahnriemengetriebe gewonnen werden können. Für einen exemplarischen Vergleich der Vorspannmethoden, werden außerdem analytische Simulationsmodelle für Zahnriemengetriebe ohne Spannelement und mit federgespannter Rolle erstellt. Als weiteren Bestandteil der vorliegenden Arbeit wird eine Dimensionierungsvorschrift für ringgespannte Zahnriemengetriebe abgeleitet, bei der sowohl statische als auch dynamische Vorgänge im Getriebe berücksichtigt werden können. Anschließend wird der Einfluss der relevanten Parameter auf das Verhalten des ringgespannten Getriebes untersucht. Alle erstellten Simulationsmodelle werden sowohl experimentell an Versuchsständen als auch mittels FEM-Vergleichsrechnung validiert. Die dafür benötigten Getriebeparameter wurden ebenfalls experimentell ermittelt. Abschließend folgt der exemplarische Vergleich der Vorspannmethoden anhand von drei Simulationsbeispielen und einem experimentellen Vergleich des Wirkungsgrads. / This dissertation deals with the simulation of two-shaft timing belt drive and its pre-tension methods. Special attention is given to the relatively new method tensioning ring (ROLL-RING®). The target of the present work is to develop an analytical simulation model, with this fundamental understanding of the static and dynamic behavior of such ring-tensioned timing belt drives can be gained. For an exemplary comparison of pre-tension methods, analytical simulation models for synchronous belt drive without pre-tension element and with tensioner pulley with spring will be created. As another part of the present work a dimensioning specification for ring-tensioned toothed belt drives was deduced. This specification can be considered in both static and dynamic processes in the transmission. Then, the influence of relevant parameters on the behavior of the ring-tensioned timing belt drives is researched. All created simulation models will vali-date both experimental and FEM using comparative calculation. The parameters re-quired for the transmission were also experimentally determined. Finally, the exemplary comparison of pre-tensioned methods basis of three examples of simulation and an ex-perimental comparison of energy conversion efficiency follow.

Die Arbeit befasst sich mit der Simulation von Zweiwellen-Zahnriemengetrieben und deren Vorspannmethoden, insbesondere mit der relativ neuen Methode Spannring (ROLL-RING®). Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein analytisches Simulationsmodell zu entwickeln, mit dem grundlegende Erkenntnisse über das statische und dynamische Verhalten solcher ringgespannten Zahnriemengetriebe gewonnen werden können. Für einen exemplarischen Vergleich der Vorspannmethoden, werden außerdem analytische Simulationsmodelle für Zahnriemengetriebe ohne Spannelement und mit federgespannter Rolle erstellt. Als weiteren Bestandteil der vorliegenden Arbeit wird eine Dimensionierungsvorschrift für ringgespannte Zahnriemengetriebe abgeleitet, bei der sowohl statische als auch dynamische Vorgänge im Getriebe berücksichtigt werden können. Anschließend wird der Einfluss der relevanten Parameter auf das Verhalten des ringgespannten Getriebes untersucht. Alle erstellten Simulationsmodelle werden sowohl experimentell an Versuchsständen als auch mittels FEM-Vergleichsrechnung validiert. Die dafür benötigten Getriebeparameter wurden ebenfalls experimentell ermittelt. Abschließend folgt der exemplarische Vergleich der Vorspannmethoden anhand von drei Simulationsbeispielen und einem experimentellen Vergleich des Wirkungsgrads. / This dissertation deals with the simulation of two-shaft timing belt drive and its pre-tension methods. Special attention is given to the relatively new method tensioning ring (ROLL-RING®). The target of the present work is to develop an analytical simulation model, with this fundamental understanding of the static and dynamic behavior of such ring-tensioned timing belt drives can be gained. For an exemplary comparison of pre-tension methods, analytical simulation models for synchronous belt drive without pre-tension element and with tensioner pulley with spring will be created. As another part of the present work a dimensioning specification for ring-tensioned toothed belt drives was deduced. This specification can be considered in both static and dynamic processes in the transmission. Then, the influence of relevant parameters on the behavior of the ring-tensioned timing belt drives is researched. All created simulation models will vali-date both experimental and FEM using comparative calculation. The parameters re-quired for the transmission were also experimentally determined. Finally, the exemplary comparison of pre-tensioned methods basis of three examples of simulation and an ex-perimental comparison of energy conversion efficiency follow.

The presence of prestrain can have a tremendous effect on the mechanical behavior of slender structures. Prestrained elastic plates show spontaneous bending in equilibrium—a property that makes such objects relevant for the fabrication of active and functionalmaterials. In this paperwe studymicroheterogeneous, prestrained plates that feature non-flat equilibriumshapes. Our goal is to understand the relation between the properties of the prestrained microstructure and the global shape of the plate in mechanical equilibrium. To this end, we consider a three-dimensional, nonlinear elasticity model that describes a periodic material that occupies a domain with small thickness. We consider a spatially periodic prestrain described in the form of a multiplicative decomposition of the deformation gradient.By simultaneous homogenization and dimension reduction, we rigorously derive an effective plate model as a Γ-limit for vanishing thickness and period. That limit has the form of a nonlinear bending energy with an emergent spontaneous curvature term. The homogenized properties of the bending model (bending stiffness and spontaneous curvature) are characterized by corrector problems. For a model composite—a prestrained laminate composed of isotropic materials—we investigate the dependence of the homogenized properties on the parameters of the model composite. Secondly, we investigate the relation between the parameters of the model composite and the set of shapes with minimal bending energy. Our study reveals a rather complex dependence of these shapes on the composite parameters. For instance, the curvature and principal directions of these shapes depend on the parameters in a nonlinear and discontinuous way; for certain parameter regions we observe uniqueness and non-uniqueness of the shapes. We also observe size effects: The geometries of the shapes depend on the aspect ratio between the plate thickness and the composite period. As a second application of our theory, we study a problem of shape programming: We prove that any target shape (parametrized by a bending deformation) can be obtained (up to a small tolerance) as an energy minimizer of a composite plate, which is simple in the sense that the plate consists of only finitely many grains that are filled with a parametrized composite with a single degree of freedom.

The objective of the paper is to analyze the shrinkage and expansion strain development in thin slabs made of expansive concrete and reinforced with carbon textile reinforcement. The symmetrical textile reinforcement grid provided a biaxial restraint for the concrete shrinkage and expansion. Strains of the slabs were measured with distributed fiber optic sensors (DFOS) in both directions so that a 2D visualization of their distribution can be presented and analyzed. Parallel, standard restrained expansion tests (RET) were conducted to assess the expansive concrete mixture and large-scale beam specimens with uniaxial steel reinforcement were also equipped with DFOS and analyzed. This study aimed to compare the strains in uniaxially restrained elements with steel reinforcement and biaxially restrained textile reinforced concrete elements, in order to assess to what extent the results of the standard RET can be used for evaluation of textile reinforced concrete members.

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

1. Einführung in die Theorie dynamischer Analysen mit Creo Simulate 2. Modalanalysen (Standard und mit Vorspannung) 3. Dynamische Analysen einschließlich Klassifizierung der Analysen; einige einfache Beispiele für eigene Studien (eine Welle unter Unwuchtanregung und ein Ein-Massen-Schwinger) sowie etliche Beispiele größerer dynamischer Systemmodelle aus unterschiedlichsten Anwendungsbereichen 4. Feedback an den Softwareentwickler PTC (Verbesserungsvorschläge und Softwarefehler) 5. Referenzen / 1. Introduction to dynamic analysis theory in Creo Simulate 2. Modal analysis (standard and with prestress) 3. Dynamic analysis, including analysis classification, some simple examples for own self-studies (shaft under unbalance excitation and a one-mass-oscillator) and several real-world examples of bigger dynamic systems 4. Feedback to the software developer PTC (enhancement requests and code issues) 5. References

1. Einführung in die Theorie dynamischer Analysen mit Creo Simulate 2. Modalanalysen (Standard und mit Vorspannung) 3. Dynamische Analysen einschließlich Klassifizierung der Analysen; einige einfache Beispiele für eigene Studien (eine Welle unter Unwuchtanregung und ein Ein-Massen-Schwinger) sowie etliche Beispiele größerer dynamischer Systemmodelle aus unterschiedlichsten Anwendungsbereichen 4. Feedback an den Softwareentwickler PTC (Verbesserungsvorschläge und Softwarefehler) 5. Referenzen / 1. Introduction to dynamic analysis theory in Creo Simulate 2. Modal analysis (standard and with prestress) 3. Dynamic analysis, including analysis classification, some simple examples for own self-studies (shaft under unbalance excitation and a one-mass-oscillator) and several real-world examples of bigger dynamic systems 4. Feedback to the software developer PTC (enhancement requests and code issues) 5. References