Glas wird mit dem Ziel, die Festigkeits- und Sicherheitseigenschaften zu verbessern, thermisch vorgespannt und zu Verbundglas laminiert. Nur so ist es möglich, Bauteile wie Treppen, Träger und Stützen transparent zu gestalten oder sogar Ganzglaskonstruktionen auszuführen. Gleichzeitig werden an diese Glasbauteile höchste ästhetische Ansprüche gestellt. Diese Ansprüche können aktuell nicht immer erfüllt werden. Aus dem Veredelungsprozess von Verbundglas resultiert ein Kantenversatz zwischen den Einzelgläsern, der die optische Qualität der frei sichtbaren Kanten erheblich beeinträchtigt. Darüber hinaus führt dieser Kantenversatz bei Lasteinleitung über die Kante zu einer ungleichmäßigen und damit ungünstigen Lastverteilung auf die Einzelgläser. Das Nachschleifen der Verbundglaskante ermöglicht, die optische Beeinträchtigung zu beheben und eine ebene Kantenoberfläche zu schaffen. Bei thermisch vorgespanntem Glas verursacht das Nachschleifen allerdings einen mechanischen Eingriff in den thermischen Vorspannungszustand, der sinkende Festigkeiten zur Folge haben kann. Dies stellt ein erhebliches Risiko dar, da das Bauteil unplanmäßig versagen könnte. Eine wissenschaftlich belegte Beurteilung des Versagensrisikos ist derzeit nicht verfügbar. Die europäische Normung schließt das Nachschleifen deshalb vollständig aus. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, diese Lücke zu schließen und verfolgt das Ziel, den Einfluss des Nachschleifens auf thermisch vorgespannte Gläser zu charakterisieren. Eine Auseinandersetzung mit der Herstellung und Veredelung von Flachglas führt zur Ausgangssituation für das Nachschleifen und den zu berücksichtigenden Einflussgrößen. Das daraus abgeleitete experimentelle Versuchsprogramm beinhaltet die zweistufige Untersuchung von 240 Probekörpern aus Einscheiben-Sicherheitsglas und Teilvorgespanntem Glas mit variierender Glasdicke. Diese wurden in unterschiedlichen Nachschleiftiefen bearbeitet. Zunächst erfolgt die umfangreiche Analyse des thermischen Vorspannungszustands mit Hilfe von spannungsoptischen Messmethoden. Der zweite Schritt beinhaltet Bruchversuche zur Bestimmung der Festigkeit sowie begleitende mikroskopische Untersuchungen des bruchverursachenden Defektes. Die Analyse der Korrelation zwischen den Ergebnissen der thermischen Vorspannung und dem Bruchverhalten erlaubt die Beschreibung des Einflusses des Nachschleifens auf thermisch vorgespanntes Glas. Daraus geht hervor, dass die thermische Vorspannung an der Kante mit steigender Nachschleiftiefe sinkt. Mit den Vorspannungswerten sinkt auch die Beanspruchbarkeit der Gläser. Die verbleibenden charakteristischen Festigkeiten unterschreiten jedoch nicht zwangsläufig die normativ geforderten Grenzwerte. In Abhängigkeit von Glasart und Glasdicke ist das Nachschleifen in definierten Grenzen möglich, ohne ein unplanmäßiges Versagensrisiko hervorzurufen. Aus den Ergebnissen der Probekörper dieser Arbeit geht hervor, dass Teilvorgespanntes Glas, in Abhängigkeit von der Glasdicke, maximal 3 mm nachgeschliffen werden konnte, ohne die in den Produktnormen geforderten Festigkeiten zu unterschreiten. Im Gegensatz dazu lag die Grenze bei Einscheiben-Sicherheitsglas schon bei 1 mm Nachschleiftiefe. Auf dieser Grundlage sowie der Zusammenführung aller Ergebnisse dieser Arbeit erfolgt die Herleitung von konstruktiven sowie verfahrenstechnischen Empfehlungen, die sich positiv auf die nach dem Nachschleifen verbleibende Festigkeit auswirken. Für die Ingenieurpraxis wird zudem ein Nachweiskonzept für thermisch vorgespannte Gläser mit nachgeschliffenen Kanten erarbeitet. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zeigen, dass das Potential des Nachschleifens als zusätzlicher Veredelungsschritt von thermisch vorgespannten Verbundgläsern genutzt werden kann. Sie belegen, auf Basis umfangreicher wissenschaftlicher Untersuchungen, dass kein unplanmäßiges Versagensrisiko durch das Nachschleifen entsteht, wenn bestimmte Grenzwerte eingehalten werden. Die aus dem Umfang der Versuche dieser Arbeit abgeleiteten Empfehlungen und das entwickelte Nachweiskonzept eröffnen einen Weg für den zukünftigen Einsatz des Nachschleifens von thermisch vorgespannten Gläsern, um Glasbauteile mit ebenen und optisch hervorragenden Verbundglaskanten schaffen zu können.:1 Einleitung 2 Glasherstellung und -veredelung 3 Thermische Vorspannung 4 Festigkeit und Bruchverhalten 5 Gesamtergebnisse und Empfehlungen 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Literatur / To enhance the strength and safety of glass members, glass is often both thermally toughened and laminated. This enables the realisation of transparent components such as staircases, beams and columns, or even all-glass constructions. Additionally, these glass constructions must meet the demand on high aesthetic quality. Currently, it is not always possible to reach these demand. Processing laminated glass can cause an edge offset between the individual glass panes, which significantly affects the optical quality of visible glass edges. Moreover, in the case of glass components with load introduction into the laminated glass edge, the offset leads to an uneven and adverse load splitting on the individual glass panes. Regrinding laminated glass edges provides the opportunity to remove the optical deficit and establish smooth edges. However, regrinding of thermally toughened glass causes a mechanical intervention into the residual stress state that could lead to a decrease in strength. This poses a considerable risk, as the glass component could fail unexpectedly. Despite this significant risk, there are currently no scientifically established risk assessment methods for the influence of regrinding. Therefore, the European standards exclude the regrinding of thermally toughened glass. Accordingly, this thesis aims to address this deficiency by characterising the effect of regrinding on thermally toughened glass. In this thesis, extensive analysis of flat glass production and processing of glass lead to the influencing variables, which has to be considered in the examination of regrinding. The derived two-stage testing programme includes 240 specimens made of fully tempered glass and heat-strengthened glass of varying thicknesses. Specimens underwent regrinding to varying depths. Firstly, the analysis of the residual stress state is carried out with stress-optical measuring methods. Afterwards, fracture tests are executed to determine the strength. Accompanying studies include microscopic examinations of the defects in the glass causing the fracture. Measured residual stress state and fracture stress are correlated in order to characterise the influence of the regrinding process on thermally toughened glass. The study demonstrated that increasing regrinding depths lead to a decrease in the residual stress at the edge. As a result, the resultant strength also decreases. However, the remaining characteristic strengths are not necessarily below the normatively regulated characteristic strengths. Depending on the glass type and thickness, regrinding is possible within defined limits without causing an unexpected risk of failure. The results of the tested specimens of this thesis indicate that, depending on the glass thickness, regrinding of heat-strengthened glass is possible up to a maximum of 3 mm regrinding depth without a reduction in strength below standardised limits. In contrast, the maximum limit of regrinding fully tempered glass was 1 mm. On this basis, as well as, the combination of all experimental results of this thesis, constructive and procedural recommendations which positively affect the remaining strength after regrinding are derived. In addition, a verification concept for thermally toughened glass with reground edges is developed. Finally, the results of this thesis show that the regrinding process can be implemented as an additional finishing step for thermally toughened laminated glass. Based on comprehensive scientific studies, the outcome verifies that regrinding up to defined limits does not result in risk of premature failure. The derived recommendations and developed verification concept, which results from the examinations of this thesis, establish opportunities for future use of reground laminated thermally toughened glass to create glass components with smooth edges of the highest optical quality.:1 Einleitung 2 Glasherstellung und -veredelung 3 Thermische Vorspannung 4 Festigkeit und Bruchverhalten 5 Gesamtergebnisse und Empfehlungen 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Literatur

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.

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.

Verbund- und Verbundsicherheitsgläser zeichnen sich durch ein breites Anwendungsspektrum im Bauwesen, im Automobilbau und der Photovoltaikindustrie aus. Dabei werden insbesondere an Verbundsicherheitsglas hohe Anforderungen hinsichtlich der Sicherheitseigenschaften gestellt. Diese Eigenschaften, wie Splitterbindung und Resttragfähigkeit, werden durch einen Verbund aus mindestens zwei Glasscheiben mit einem polymeren Zwischenschichtmaterial realisiert. Aktuell werden in etwa 95% aller Fälle Zwischenschichten aus Polyvinylbutyral für die Herstellung von Verbundsicherheitsglas eingesetzt, da einzig dieses Material bauaufsichtlich geregelt ist. Dabei sind aber auch verschiedene andere Materialien, wie Ethylen-Vinylacetat, thermoplastische Polyurethane oder Ionomere als Zwischenschichten einsetzbar. Aufgrund ihrer Eigenschaften erweisen sich diese für spezielle Anwendungsgebiete als besonders geeignet. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener polymerer Zwischenschichtmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung von Verbund- und Verbundsicherheitsgläsern, speziell im Vergleich zur Polyvinylbutyral-Folie. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf das Alterungsverhalten der Zwischenschichten gelegt, um deren Eignung auch für mehrere Jahrzehnte Standzeit, wie sie für Bauwerke zu erwarten ist, einschätzen zu können. Um das Alterungsverhalten der verschiedenen polymeren Zwischenschichtmaterialien beurteilen zu können, werden zunächst die Materialeigenschaften der verschiedenen Zwischenschichten im ungealterten Zustand an reinen Substanzprüfkörpern beziehungsweise ungealterten Verbundgläsern ermittelt. Als Alterungsszenarien werden eine Temperaturlagerung, eine Beanspruchung durch wechselnde klimatische Bedingungen, sowie eine Lagerung unter aggressiven Medien und eine Bestrahlungsprüfung zur Beurteilung der Langzeitstabilität durchgeführt. Die verschiedenen Alterungstests mit kleinformatigen Verbundglas-Prüfkörpern wirken sich dabei sowohl auf das optische Erscheinungsbild der Verbundgläser, als auch auf die Materialeigenschaften aus. Neben der Bildung von Blasen, Delaminationen oder Trübungen, führen diese Tests durch chemische Reaktionen oder physikalische Umlagerungen zur Veränderung des Steifigkeits- und Abbauverhaltens der polymeren Zwischenschichtmaterialien. Auf Grundlage der Ergebnisse der in dieser Arbeit durchgeführten Alterungstests erscheinen das untersuchte Ionomer (DuPont SentryGlas) und ein thermoplastisches Polyurethan (Huntsman Krystalflex PE399) am besten für einen dauerhaften Einsatz als Zwischenschichtmaterial für Verbund- und Verbundsicherheitsgläser als geeignet. Durch eine Anpassung der Einbausituation oder eine Beschränkung der Einsatzgebiete und der damit einhergehenden klimatischen Beanspruchungen können auch die anderen Materialien vorteilhaft eingesetzt werden. / Laminated glass and laminated safety glass are used in a wide range of applications, for example in construction, automotive and photovoltaic industry. High demands on security properties are made, especially to laminated safety glass. These properties, such as binding glass fragments in case of breakage and the residual bearing capacity, will be realized by a composite of at least two panes of glass with a polymeric interlayer material. Currently, in about 95% of all cases, interlayer of polyvinyl butyral are used for the production of laminated safety glass, because this is the only material, which is approved by the building authorities. Various other polymeric materials such as ethylene vinyl acetate, ionomers and thermoplastic polyurethanes can also be used as interlayers. Based on their properties, these materials are suitable for special applications. Subject of this thesis is the study of various polymeric interlayer materials in reference to their suitability for the production of laminated glass and laminated safety glass, especially in comparison to the polyvinyl butyral interlayer. Especially the ageing behaviour of the interlayer is investigated to estimate their suitability over the lifetime of several decades, which is expected for building structures. To evaluate the ageing behaviour, the material properties of the different polymeric interlayer materials are first determined on the pure, unaged material or unaged laminates. Different ageing scenarios are carried out to assess the longterm stability, such as a temperature storage test, a climatic stress test as well as test under aggressive media and high irradiation. These ageing tests with small-scale test specimens will affect both the appearance of the laminated glass, as well as the material properties. In addition to the formation of bubbles, delamination or haze, these tests lead to changes in stiffness and degradation behaviour of the polymeric interlayer materials by chemical reactions or physical rearrangements. Based on the results of the ageing tests in this thesis, the investigated ionomer (DuPont SentryGlas) and a thermoplastic polyurethane (Huntsman Krystalflex PE399) are best suited for a long-term use as interlayer material for laminated glass or laminated safety glass. By changing the structural design or limiting the range of applications, the other investigated materials can also show their advantages for different applications.

Moderne architektonische Fassadengestaltungen und Ganzglaskonstruktionen fordern immer häufiger entmaterialisiert wirkende Ansichten mit maximaler Transparenz für eine edle Erscheinung und einen hohen Grad an natürlicher Belichtung. Damit gehen große Spannweiten einher. Diese führen zu stark dimensionierten Glasaufbauten und bringen hohes Eigengewicht in die Konstruktion ein. Die Verfügbarkeit von Dünnglas in bautechnisch relevanten Abmessungen ermöglicht neue gewichtssparende Konstruktionsprinzipien und innovative Materialkombinationen. Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten bestehen aus einem leichten transparenten Kunststoffkern mit außenliegenden kratzbeständigen und dauerhaften Deckschichten aus Dünnglas. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, Dauerhaftigkeit und volle Transparenz bei geringem Eigengewicht. Die Aushärtung der Ausgangskomponenten des Kunststoffkerns erfolgt direkt zwischen den Deckschichten und erzeugt dadurch einen vollflächigen Verbund zwischen Glas und Kunststoff ohne zusätzliche Zwischenschichten. Im Bauwesen sind Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten bislang unbekannt. Es liegen weder ausreichend Kenntnisse zu den Material- und Verbundeigenschaften vor noch sind die Eigenschaften als Bauprodukt entsprechend den hohen strukturellen und sicherheitstechnischen Anforderungen sowie den Ansprüchen an die Dauerhaftigkeit und an die optischen Eigenschaften nachgewiesen. Darüber hinaus fehlen konkrete Verbindungskonzepte zur Integration in das Bauwesen, um das Leichtbaupotenzial für entmaterialisiert wirkende transparente Konstruktionen auszunutzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden erstmals Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten als innovatives Leichtbauprodukt systematisch untersucht und in das Bauwesen eingeordnet. Experimentelle und numerische Untersuchungen charakterisieren die Material- und Verbundeigenschaften mit zwei, am Markt verfügbaren, Kunststoffkernmaterialien – Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyurethan (PU), die jeweils für ein unterschiedliches Eigenschaftsspektrum stehen. Darüber hinaus wird zur Umsetzung maximaler Transparenz eine materialgerechte Verbindungstechnik entwickelt und deren mechanische Tragfähigkeiten charakterisiert. Zunächst werden in experimentellen Kleinteilprüfungen die thermophysikalischen und mechanischen Kennwerte der reinen Kunststoffkernmaterialien für die Beschreibung des Tragverhaltens im Verbund ermittelt. Anhand der Ergebnisse werden das PMMA als steifes, dauerhaftes, aber sprödes Material und das PU als vergleichsweise flexibles, zähes Material charakterisiert. Die experimentellen Untersuchungen zum Verbundverhalten fokussieren sich auf die Anforderungen für den Einsatz im Bauwesen. Eine numerische Strukturanalyse erweitert die Ergebnisse zum Tragverhalten und klärt offengebliebene Fragestellungen zum thermischen Ausdehnungsverhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten ein effizientes Tragverhalten und eine signifikante Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichem monolithischem Glas und Verbundglas erreicht wird. Anhand der spezifizierten Verbundeigenschaften werden resultierende Anwendungspotenziale entsprechend der Materialkombination abgeleitet. Die weiterführende Entwicklung einer tragfähig in den Kunststoffkern integrierten Verbindungstechnik bietet innovative Anbindungsmöglichkeiten für Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten im Strukturleichtbau. Die Funktionsweise wurde anhand eines Konstruktionsbeispiels auf der „glasstec 2022“ demonstriert. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine strukturierte Kennwertsammlung zur erstmaligen ingenieurmäßigen Beschreibung des Material- und Verbundverhaltens von Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten mit zwei unterschiedlichen Kunststoffkernmaterialien. Die Materialkombination aus Dünnglas und PMMA-Kunststoffkern erzielt die größte Materialeffizienz für eine effektive Gewichtsreduktion und erfüllt die grundlegenden Anforderungen aus dem Bauwesen. Anhand der weiterführend entwickelten konstruktiven Verbindungstechnik wird ein breiter Anwendungsbereich erschlossen. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit werden somit die Grundlagen für die Einführung als Bauprodukt und für eine gewichtssparende Konstruktionsweise zur Umsetzung maximaler Transparenz geschaffen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten 4 Materialcharakterisierung Kunststoffkern 5 Verbundverhalten 6 Numerische Strukturanalyse 7 Einordnung in das Bauwesen 8 Konstruktive Verbindungstechnik 9 Konstruktionsbeispiel und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur / Modern façade designs and all-glass construction are increasingly calling for dematerialisation and maximum transparency for a sophisticated appearance and a high degree of natural lighting. This is accompanied by large glass spans leading to increasing thickness of glass panels that introduce a high dead load into the supporting structure. The availability of thin glass in architecturally relevant dimensions permits new lightweight design principles and innovative material combinations. Innovative thin glass-plastic-composite panels consist of a lightweight and transparent polymeric interlayer core with scratch-resistant and durable cover layers of thin glass. They offer high stiffness, durability and full transparency at a low specific weight. The raw components of the polymer core are directly cured between the cover layers resulting in a chemical bond between glass and polymer over the entire surface without the need for additional interlayers. The thin glass-plastic-composite panels are currently unknown in the building industry. There is a lack of knowledge about the material and its composite behaviour. It has not been verified as a building product in accordance with the high structural and safety requirements as well as the requirements for durability and optical properties. In order to employ the lightweight design potential for dematerialised and transparent construction suitable for the building industry, there is a need for specific and material-appropriate connection techniques. In the context of this thesis, the novel thin glass-plastic-composite panels are systematically investigated in order to assess them as an innovative lightweight product. For the first time, they are classified in detail for application in the building industry. Material and composite properties using two different polymeric interlayer core materials – polymethyl methacrylate (PMMA) and polyurethane (PU) – are characterised by means of experimental and numerical investigations. Moreover, to achieve maximum transparency, a material-specific connection technique is developed and a wide range of mechanical load-bearing capacities are specified. First of all, the thermophysical and mechanical parameters of the pure polymer core materials are determined in experimental small part tests for the description of the composite load-bearing behaviour. The results identify the PMMA as a stiff, durable but brittle material and the PU as a fairly flexible, viscoelastic material. The investigations on the composite behaviour focus on the demands for use in the building industry and include experimental tests on the durability, the adhesion, the composite load-bearing behaviour as well as the response to hard and soft body impacts. A numerical analysis extends the results of experimental investigations on the structural load-bearing behaviour and examines the thermal expansion behaviour. The results indicate that the new material combination achieves a highly efficient structural load-bearing behaviour and a significant weight reduction compared to conventional monolithic and laminated glass. Application possibilities are derived based on the observed interlayer core material and composite characteristics. Further development of a connection technique as an integrated design into the polymeric interlayer core offers wide-ranging concepts of connecting thin glass-plastic-composite panels. Its functionality and practicability have been demonstrated in a construction prototype exhibited at “glasstec 2022” fair. The present work contains a well-structured material dataset to describe the material and composite behaviour of thin glass-plastic-composite panels comprehensively with two different polymeric interlayer core materials in engineering methodology. The material combination of thin glass and PMMA interlayer core achieves outstanding material efficiency with an effective weight reduction and fulfils the general requirements for application in building industry. A wide range of applications is facilitated thanks to the further development of a slim and integrated structural connection technique. The results of this work provide the framework for the introduction of a new lightweight building product with an innovative structural design to realise maximum transparency of façades and all-glass structures.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten 4 Materialcharakterisierung Kunststoffkern 5 Verbundverhalten 6 Numerische Strukturanalyse 7 Einordnung in das Bauwesen 8 Konstruktive Verbindungstechnik 9 Konstruktionsbeispiel und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur

Die flexible Anpassungsfähigkeit an Umgebungsbedingungen und äußere Einwirkungen ist der Schlüssel zur weiteren energetischen Optimierung der Gebäudehülle. Bisherige Glasfassaden mit statischem Eigenschaftsprofil können auf tages- und jahreszeitliche Änderungen von solarer Einstrahlung oder Temperaturverläufen nur unzureichend reagieren. Dynamische Verglasungen gewinnen daher im Fassadenbau immer stärker an Bedeutung. Neben bereits etablierten Systemen wie elektrochromen Gläsern werden in aktuellen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben diverse Konzepte für adaptive, multifunktionale Gebäudehüllen untersucht. Einen innovativen Ansatz bildet der Einsatz von Flüssigkeiten im Scheibenzwischenraum von Mehrscheiben-Isolierverglasungen. Diese können thermisch reguliert, mit speziellen Partikeln versetzt oder sogar zur Algenkultivierung verwendet werden und ebnen so den Weg für den Bau von Niedrigstenergiegebäuden. Neben Problemstellungen zur Bauphysik und Gebäudeautomation ergibt sich insbesondere bei der Verbindungstechnik für die einzelnen Glasscheiben aufgrund der direkten Flüssigkeitsexposition ein erheblicher Forschungsbedarf. In ersten, bereits realisierten Pilotprojekten wird der aus der Flüssigkeit resultierende hohe hydrostatische Druck, der auf die Verglasung und damit auch auf den Randverbund wirkt, durch aufgesetzte Klemmleisten abgetragen. Die mechanische Klemmung stellt sicher, dass die Randabdichtung in der Lage ist, ihre Funktion dauerhaft zu erfüllen. Diese aufgesetzte Haltekonstruktion durchbricht jedoch die ebenen Oberflächen, die den Reiz schlanker Glasfassaden ausmachen. Der hohe gestalterische Anspruch, der bei großen Bauprojekten von Architekten und Bauherren nachgefragt wird, kann nur mit einem strukturell geklebten Randverbundsystem erfüllt werden, das für den Einsatz im flüssigen Medium geeignet ist. Bisher sind keine geeigneten Klebverbindungen bekannt, die eine dauerhafte Dichtigkeit und ständigen Abtrag hoher mechanischer Lasten gleichzeitig gewährleisten können. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass aus der eindiffundierenden Feuchtigkeit ein wesentlicher Schädigungsmechanismus für die geklebte Verbindung resultiert. Die Klebstoffsteifigkeit nimmt dadurch in der Regel ab; auch ein Haftverlust kann die Folge sein. Die vorliegende Arbeit stellt sich der beschriebenen Herausforderung einer strukturellen Klebverbindung unter Einfluss einer dauerhaften Flüssigkeitsexposition. Durch ein zweistufig geklebtes Randverbundsystem sollen die wesentlichen Funktionen Dichten und Lastabtragen spezifisch auf separat wirksame Klebstoffe aufgeteilt werden und dadurch ein wesentlicher Vorteil gegenüber bisherigen Klebverbindungen geschaffen werden. Ausgehend von diesem Lösungsansatz werden für die Klebstoffauswahl und Materialcharakterisierung ein umfangreiches, maßgeschneidertes Versuchsprogramm sowie Bewertungskonzept entwickelt. Standardisierte Substanz- und Verbundprüfungen umfassen Zug- und Haft-Zugversuche sowie Versuche zur Materialverträglichkeit. In Anbetracht der speziellen Anforderungen der geplanten Anwendung lassen bis dato existierende Bewertungsgrundlagen und Nachweisverfahren jedoch keine hinreichend zuverlässige Aussage zu. Deshalb werden in dieser Arbeit speziell auf diese Anwendung abgestimmte Versuchsverfahren entwickelt, mit denen die Klebstoffdichtigkeit und Flüssigkeitsaufnahme sowie das Verhalten unter Dauerbeanspruchung analysiert werden. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen werden zwei geeignete Klebstoffsysteme ausgewählt, jeweils eines für die dichtende und eines für die lastabtragende Klebstufe. Weitere experimentelle Versuche fokussieren sich auf die Überprüfung der Funktionalität des neuartigen Randverbundsystems unter Realbedingungen. Mit diesem Ziel wird ein Bauteilprüfstand entwickelt, der die realitätsnahe Prüfung des komplexen Beanspruchungszustands im Randverbundsystem erlaubt. Die Versuche im Bauteilmaßstab 1:2 liefern die notwendige Datengrundlage zur Validierung eines numerischen Berechnungsmodells. Mithilfe des Modells werden der Glasaufbau und das neuartige Randverbundsystem dimensioniert und nachgewiesen. Die gewählte Abstraktionstiefe des Modells ermöglicht dabei sowohl eine wissenschaftlich präzise Beurteilung des Tragverhaltens als auch eine praxistaugliche Bemessung. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Kombination der ausgewählten Klebstoffe eine ausreichende Dichtigkeit und Tragfähigkeit aufweist. Experimentell ermittelte, zeitabhängige Verformungen erlauben eine positive Prognose der zu erwartenden Standzeit. In den Bauteilversuchen bleibt der entwickelte Randverbund selbst im teilzerstörten Zustand der Verglasungen und daraus resultierenden, sehr großen Verformungen intakt. Die Klebfuge wird auch unter gemeinhin kritischen Dauerlasten auf hohem Lastniveau rechnerisch nachgewiesen werden, wenngleich dann die Elementabmessungen gegenüber der ursprünglich angestrebten Elementgröße reduziert werden müssen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Umsetzung eines zweistufig geklebten Randverbundsystems für den Einsatz in flüssigkeitsgefüllten Isolierverglasungen möglich ist. Die entwickelten Prüfverfahren mit definierten Beurteilungsmethoden sowie das ausgearbeitete Versuchsprogramm können für ähnlich gelagerte Fragestellungen herangezogen werden.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Beispielkonstruktion und Beanspruchungsanalyse 4 Klebstoffauswahl und Charakterisierung 5 Anwendungsspezifische Klebstoffuntersuchungen 6 Untersuchungen im Bauteilmaßstab 7 Berechnung und Dimensionierung 8 Handlungsempfehlungenn 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literatur / Flexible adaptability to environmental conditions and external influences is a key to further energy optimisation of the building envelope. Current glass façades with a fixed characteristics cannot respond adequately to changes in solar radiation or temperature during the day and over the seasons. Dynamic glazing is therefore becoming increasingly important in façade construction. In addition to established solutions such as electrochromic glazing, research and development activities are currently investigating various concepts for adaptive, multifunctional building envelopes. One innovative approach is the use of fluids in the cavity between the panes of insulating glass units. The fluid can be thermally regulated, mixed with functional particles or even used to cultivate algae. This paves the way for the design of ultra-low energy buildings. In parallel with the building physics and automation issues, there is a particular need for research into the connection techniques for the individual panes due to the direct contact with a fluid. In the first completed pilot projects, the high hydrostatic pressure acting on the glazing and therefore also on the edge seal, is dissipated by means of attached clamping bars. These external mechanical clamps ensure that the edge seal is able to fulfil its function permanently. However, external mechanical clamps disrupt the smooth surfaces that define the visual appearance of slim glass façades. This high design requirement, often demanded by architects and clients on high value projects, can only be met by a structurally bonded edge seal system designed for use in a fluid medium. To date, there are no suitable adhesive bonds that can provide both a permanent seal and the ability to withstand high mechanical loads. One of the main reasons for this is the diffusion of moisture, which causes significant damage to the bond. Moisture generally reduces the stiffness of the adhesive and can also cause a loss of adhesion. The present work addresses the challenge of a structural adhesive connection that is permanently exposed to a fluid. By using a two-stage bonded edge seal system, the main functions of sealing and structural load transfer are specifically allocated to the separate adhesives. This results in a significant improvement over conventional bonded joints. Based on this approach, a comprehensive test programme and evaluation scheme is developed to select and characterise the adhesives. Standardised material and adhesive bonding tests include tensile, adhesion and material compatibility tests. Given the specific requirements of the proposed application, conventional evaluation principles and design methods do not provide sufficient assurance. Therefore, this thesis deals with the development of customised test procedures to analyse the adhesive permeability and fluid absorption as well as the structural behaviour under permanent load. Based on the results obtained, two suitable adhesives are selected, one for sealing and one for structural load transfer. Further experimental investigations are focusing on testing the functionality of the novel bonded edge seal system under realistic operating conditions. This includes the development of a component test rig that allows the structural behaviour to be realistically investigated under complex loading conditions. Tests on a 1:2 component scale provide a comprehensive data base for the validation of a numerical model. Numerical simulations are used to dimension and verify the glass composition and the adhesive joint. The high level of detail in the numerical modelling allows a scientifically accurate assessment of the load-bearing behaviour as well as a practical design. The results show that the combination of the selected adhesives provides permanent seal and excellent load carrying capacity. The experimentally determined time-dependent deformations allow for a positive prediction of the service life. Even when the glazing is partially destroyed and the resulting deformations are very large, the developed edge seal remains fully intact during the component tests. The adhesive joint is verified by calculations under generally critical permanent loads at a high stress level, even though the unit dimensions have to be reduced from the original target size. This study demonstrates the feasibility of utilising a two-stage bonded edge seal system in fluid-filled insulating glass units. The customised test methods consisting of specified assessment procedures and an elaborated test programme can be applied to address and overcome forthcoming challenges.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Beispielkonstruktion und Beanspruchungsanalyse 4 Klebstoffauswahl und Charakterisierung 5 Anwendungsspezifische Klebstoffuntersuchungen 6 Untersuchungen im Bauteilmaßstab 7 Berechnung und Dimensionierung 8 Handlungsempfehlungenn 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literatur

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.

Im Bauwesen kommen verschiedene Kantenausführungsarten von Glas zum Einsatz. In Abhängigkeit ihrer Art erfüllen sie Anforderungen an den Schnittschutz, die Maßhaltigkeit und die Ästhetik. Nach DIN 1249-11 erfolgt die Einteilung entsprechend des äußeren Erscheinungsbildes in geschnittene (KG), gesäumte (KGS), maßgeschliffene (KMG), geschliffene (KGN) und polierte (KPO) Kanten. Die mechanische Festigkeit der Glaskante ist jedoch gesondert zu betrachten. Die charakteristische Biegezugfestigkeit von Glas ist maßgeblich von dessen Oberflächenzustand abhängig. Die Herstellung und Bearbeitung der Kante erfolgt durch einen Materialeingriff mit harten Schneid- und Schleifwerkzeugen. Dabei werden die Oberflächenbeschaffenheit verändert und das Bruchverhalten beeinflusst. Bisher regelt die europäische Normung Kantenfestigkeiten in der Bemessung in Form von Beiwerten, welche die charakteristische Biegezugfestigkeit pauschal oder in Abhängigkeit der Kantenausführungsart abmindern. Bestehende Untersuchungen zeigen jedoch wesentliche Unterschiede der Kantenfestigkeit in Abhängigkeit von Kantenausführungsart und Herstellungsprozess. Die Bemessungswerte der Kantenfestigkeit gelten als untere Grenze der auf dem Markt verfügbaren Qualitäten. Wissenschaftlich belegte Beurteilungen der visuellen Kantenqualität mit Einschätzung ihrer mechanischen Festigkeit liegen bisher nur für die geschnittene Kantenausführung vor. Für den industriellen Schneidprozess wurden auf Basis systematischer Untersuchungen Parameter detektiert, die sich positiv auf die Kantenfestigkeit auswirken. Es ist unbekannt, wie sich der Oberflächeneingriff durch Schleif- und Polierprozesse auf die mechanische Festigkeit der dabei hergestellten Kantenausführungsarten auswirkt und welche Ursachen dafür zu benennen sind. Zudem fehlen geregelte, einheitliche Methoden, um die Kantenqualitäten optisch und mechanisch zu erfassen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Versuchsmethodik entwickelt, welche über mikroskopische Analysen und Bruchversuche die Erfassung vergleichbarer optischer und mechanischer Kennwerte ermöglicht. In einer Zusammenführung der Methoden erfolgt erstmalig die Charakterisierung bruchverursachender Fehlstellen und deren Rückführung auf den Entstehungsort im Herstellungsprozess. Anhand einer systematischen Untersuchung verschiedener Kantenausführungsarten eines Herstellers findet die Erprobung und Bewertung der entwickelten Versuchsmethodik statt. Anschließend werden Prozessanpassungen zur Fehlstellenreduzierung vorgenommen und in Bezug auf eine Steigerung der Kantenfestigkeit untersucht. Weitere Analysen des Herstellungsprozesses eines zweiten Herstellers erfolgen für verschieden polierte Kanten. Entsprechend der ermittelten bruchverursachenden Fehlstellen werden Hypothesen für zukünftige Untersuchungen abgeleitet. Die Erkenntnisse dieser Arbeit stellen die wissenschaftliche Grundlage für verfahrenstechnische Handlungsempfehlungen zur Herstellung von Glaskanten dar. Der aktuelle Stand bedeutender europäischer Bemessungsregeln wird für abschließende normative Empfehlungen einbezogen. Die gesäumte Kante ergibt sich beim ersten Hersteller als Kantenausführungsart mit der höchsten Kantenfestigkeit. Für die maßgeschliffene, geschliffene und polierte Kante ergeben sich im Vergleich zur geschnittenen und gesäumten Kante geringere Festigkeiten. Die Untersuchung der polierten Kantenausführung des zweiten Herstellers ergibt, verglichen mit der polierten Kante des ersten Herstellers, eine höhere Kantenfestigkeit. Daraus leitet sich der Einfluss der Maschinenkonfiguration als einflussreicher Prozessparameter ab. Die Analyse der bruchverursachenden Fehlstellen zeigt, dass höherfeste Kanten mit einer Reduzierung von mikroskopisch erfassbaren Fehlstellen für die geschnittene, gesäumte und polierte Kante korrelieren. Darüber hinaus gewährleisten die in dieser Arbeit entwickelten Fehlstellenanalysen eine Detektion festigkeitsmindernder Fehlstellen, die auf eine Einbringung nach der Herstellung hindeuten und somit die Notwendigkeit von Kantenschutzmaßnahmen nach sich ziehen. Definitionen allgemeingültiger Prozessparameter in Schleif- und Polierprozessen, die eine positive Auswirkung auf die Kantenfestigkeit bearbeiteter Kanten haben, sind bisher in der Literatur nicht vorhanden. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse dienen als Grundlage zur Optimierung der Prozessparameter für hohe Kantenfestigkeiten. Experimentelle Nachweise der mechanischen Festigkeit sind dabei unabdingbar. Die Kantenqualität ist in optische und mechanische Eigenschaften zu unterscheiden. Die optisch als am hochwertigsten geltende polierte Kante geht nicht zwangsläufig mit einer hohen Kantenfestigkeit einher, was eine in der Praxis weitverbreitete Annahme widerlegt. In diesem Kontext leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum Verständnis der Herstellungsprozesse und der Bemessung von Glasbauteilen, um den steigenden Anforderungen im konstruktiven Glasbau gerecht zu werden.:1 Einleitung 2 Grundlagen zu Glaskanten 3 Wissensstand zur Kantenfestigkeit 4 Entwicklung einer Versuchsmethodik zur Erfassung der Kantenqualität 5 Systematische Analyse der Kantenqualität eines Herstellers 6 Einfluss von Prozessparametern auf die Kantenfestigkeit nach Kantenausführungsart 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Bemessungsansätze für Glaskanten 9 Handlungsempfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur / In the building industry, different types of glass edges are used. Depending on their type, they fulfil requirements for cutting protection, dimensional accuracy, and aesthetics. According to DIN 1249-11, the classification is based on the visual appearance and includes cut (KG), arrissed (KGS), ground (KMG), smooth ground (KGN), and polished (KPO) edge finishing type. However, the mechanical strength of the glass edge requires additional consideration. The characteristic bending tensile strength of glass depends mostly on its surface condition. During production and processing the edge comes in contact with hard tools, which modifies the optical appearance and influences the strength. Presently, the European standardization regulates the edge strength in the design by general coefficients, which reduce the characteristic bending tensile strength depending on the edge finishing type. Existing studies show a large range of values in edge strength depending on the edge finishing and the manufacturer. The design edge strength considers the lower limits of the available glass edge finishing types. Scientifically based evaluation of the optical edge quality with assessment of the mechanical strength is available only for the cut edge. For the industrial cutting process, parameters have been determined on the basis of systematic investigations that show a positive influence on edge strength. It is still unknown how surface interferences by grinding and polishing processes affect the edge strength of processed glass edges and what are the underlying mechanisms. In addition, there is a lack of unified methods for assessing the mechanical edge quality. Within the scope of this work, a test methodology is developed that enables the determination of comparable optical and mechanical characteristics by means of microscopic analysis and destructive tests. A combination of different methods is used to characterize fracture-causing defects and to identify the location of their creation in the manufacturing process. The testing methods are approved and evaluated on the basis of a systematic examination of different edge types of one manufacturer. Subsequently, process adjustments for defect reduction are conducted and investigated with regard to an increase in edge strength. Moreover, the manufacturing process of various polished edge types of a second manufacturer are examined. Thereby, fracture-causing flaws are identified and hypotheses for future investigations are derived that form the basis for processing recommendations for the manufacturing of glass edges. The current status of relevant European design rules is finally discussed for normative recommendations. The arrised edge finishing type revealed the highest edge strength. For the ground, smooth ground, and polished edges, the edge strength is lower compared to the cut and arrised edges. The examination of the polished edge from the second manufacturer resulted in a higher edge strength compared to the polished edge from the first manufacturer. Therefore, the influence of the machine configuration is derived as an impacting process parameter. The analysis of fracturecausing defects has confirmed that a higher edge strength correlates with a reduction in microscopically detectable defects for the cut, arrised, and polished edge types. The defect analysis also enables the detection of strength-reducing defects that are introduced after production and require edge protection measures. Definitions of generally valid process parameters in grinding and polishing that positively affect the edge strength of machined edges are unknown. However, the results of this work enable manufacturers to optimize processes specific to their (manufacturing) process in order to ensure high values of edge strength. Nonetheless, experimental verifications are indispensable in this respect. Optical and mechanical properties of glass edges need to be considered separately. For example, the polished edge is considered to offer the highest optical quality. However, contrary to a widespread assumption, it does not necessarily display high edge strength. A better understanding of the manufacturing processes and the verification of edge strength are necessary for the design to meet the increasing demands in structural glass applications.:1 Einleitung 2 Grundlagen zu Glaskanten 3 Wissensstand zur Kantenfestigkeit 4 Entwicklung einer Versuchsmethodik zur Erfassung der Kantenqualität 5 Systematische Analyse der Kantenqualität eines Herstellers 6 Einfluss von Prozessparametern auf die Kantenfestigkeit nach Kantenausführungsart 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Bemessungsansätze für Glaskanten 9 Handlungsempfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur

Bestärkt durch das gesellschaftliche und wirtschaftliche Interesse an nachhaltigen und ressourcenschonenden Formen des Bauens gewinnen Holzkonstruktionen wieder unverkennbar an Bedeutung. Mit dieser Entwicklung bilden sich neue Konstruktionsprinzipien und Materialkombinationen im Bauwesen heraus, zu deren ingenieurtechnischer Beurteilung zum Teil keine ausreichenden Erkenntnisse vorliegen. Verbundkonstruktionen aus Holz und Glas sind eine innovative Bauweise, die zu einer höheren Materialeffizienz in Fassaden beiträgt, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend hinterfragt wurde. Werden Holz und Glas durch eine tragende Klebung verbunden, lässt sich das vielfach ungenutzte Tragpotenzial ausschöpfen, das eine in Scheibenebene belastete Verglasung aufweist. Die Qualität der Klebung entscheidet dabei über die Eigenschaften und das Leistungsvermögen des Bauteils. Die üblicherweise an dieser Schnittstelle eingesetzten Silikonklebstoffe weisen eine hohe Nachgiebigkeit und eine vergleichsweise geringe Festigkeit auf. Wenn die Verbundelemente als Aussteifung mitwirken sollen, bleibt ihr Einsatz deswegen auf Gebäude mit höchstens zwei Geschossen limitiert. Die vorliegende Arbeit trägt entscheidend zur Erweiterung der baulichen Möglichkeiten bei, indem sie der Anwendbarkeit von hochfesten Klebstoffen, die für den Einsatz im Bauwesen nur wenig erforscht sind, auf vielschichtige Weise nachgeht. Im Fokus stehen aussteifende Holz-Glas-Verbundelemente für die Fassade. Weder die Bauart noch das Bauprodukt Klebstoff sind derzeit in Deutschland in einer Norm erfasst. Das Klären der baurechtlichen Rahmenbedingungen ist daher unerlässlich und erfolgt mit engem Bezug zum konstruktiven Glasbau. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Interpretation wird dadurch eine praxisnahe Bewertung der Versuchsergebnisse möglich, was ein Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit darstellt. Das Verformungsvermögen des Klebstoffs spielt eine zentrale Rolle bei der Materialauswahl und Gestaltung der Holz-Glas-Verbundelemente. Der Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf das Tragverhalten eines Einzelelements und auf dessen Interaktion mit den anderen Bestandteilen des Tragwerks wird an einem Modellgebäude untersucht. Auf Basis dieser Parameterstudie lassen sich drei Steifigkeitsbereiche definieren, auf die sich die Klebstoffauswahl für die weiteren Untersuchungen stützt. Der experimentelle Teil der Arbeit beginnt mit der ausführlichen Charakterisierung von sieben Klebstoffen. Davon werden zwei höherfeste Klebstoffe als geeignet identifiziert. Ein Silikonklebstoff wird als Referenzmaterial zur aktuellen Anwendungspraxis festgelegt. Das Hauptaugenmerk der folgenden Experimente richtet sich auf Aspekte der Alterungsbeständigkeit und des zeitabhängigen Materialverhaltens unter langandauernder mechanischer Beanspruchung. In labormaßstäblichen Alterungsprüfungen werden die Klebstoffproben unterschiedlichen Schadeinwirkungen ausgesetzt, die im Glas- und Fassadenbau relevant sind. Darüber hinaus erfolgen Kriechversuche an kleinen und großen Scherprüfkörpern. Letztere stellen einen besonderen Mehrwert dar, da sie eine realistische Klebfugengeometrie aufweisen und die Ergebnisse dadurch dem tatsächlichen Bauteilverhalten nahekommen. Für diese Zeitstandversuche wurde eine bislang einzigartige Versuchsanlage aus sechs Prüfrahmen mit Gasdruckfederbelastung entwickelt. Im Ergebnis zeigt sich, dass mit den gewählten höherfesten Klebstoffen die Festigkeit der nicht gealterten Klebschichten erwartungsgemäß gesteigert werden kann. Der Bruch des Fügepartners Holz wird zum maßgebenden Versagenskriterium. Die Verformungen des Verbundelements reduzieren sich gegenüber einer Silikonklebung deutlich. Allerdings offenbaren sich in einzelnen Alterungsszenarien und unter langandauernder Belastung auch Schwachstellen dieser Klebstoffe. Ihre Verwendung kann daher nur mit konstruktiven Kompensationsmaßnahmen oder durch Abschirmen der kritischen Einwirkungsgrößen empfohlen werden. Entsprechende Vorschläge werden bei der abschließenden Bewertung der Ergebnisse unterbreitet. Verfahren und Beurteilungsmethoden, die in dieser Arbeit angewendet und entwickelt werden, erleichtern die zukünftige Bewertung weiterer aussichtsreicher Klebstoffe für den Holz-Glas-Verbund. / Wooden constructions are on the rise again – encouraged by a strong public and economic trend towards sustainable and resource efficient buildings. Spurred by this growing interest novel design principles and material assemblies in architecture and the building industry evolve. These developments require further research due to the absence of evaluation tools and insufficient knowledge about their design. Load-bearing timber-glass composite elements could contribute to a more efficient use of materials in façade constructions. In this case a linear adhesive bond connects the glass pane to the timber substructure. This enables an in-plane loading of the glass whose capacity is not used to its full potential in conventional façades as it is solely applied as an infill panel. The quality of the adhesive bond defines the characteristics and the performance of the whole structural component. Structural sealants such as silicones, which are typically used for the joint, provide a high flexibility and only a low load-bearing capacity. Considering such elements being part of a bracing system, the mentioned characteristics limit the application range to buildings with not more than two stories. This thesis widens the scope with an in-depth examination of high-modulus adhesives, which have not yet been evaluated for their use in building constructions. Timber-glass composite elements used as a bracing component in façades are the focus of this work. Neither the full structural component nor the adhesive have yet been included into German building standards. Hence it is essential to assess the general requirements of their application. The relevant aspects are clarified in the context of glass constructions. In addition to the scientific discussion of the results, this approach facilitates also a practical evaluation of the findings, which is a unique feature of this work. The deformability of the adhesive becomes a crucial criterion when selecting the individual materials and designing the timber-glass composite elements. A case study assesses the influence of the adhesive stiffness on the behavior of a single element and its interaction with other members of the structural system. Based on the results, three different stiffness classes are introduced to support the selection process of the adhesives to be examined in further investigations. The experimental part of this work is initiated by a comprehensive characterization of seven shortlisted adhesives. The results enable a further differentiation of suitable materials. Two adhesives qualified as suitable for the main experiments. A silicone adhesive complements the test series to serve as a reference material to the current practice. In the next phase attention is drawn to the ageing stability and on the time-dependent material behavior of the adhesives under long-term loading. Small-scale specimens made from adhesively joint timber and glass pieces are exposed to different ageing scenarios which relate to the impacts typically encountered in façades. Beyond that, creep tests are carried out on small and large shear specimen. The latter provide extra benefit as they comprise long linear adhesive joints resembling virtually the situation in a real-size element. A specific long-term test rig was developed for this purpose comprising a loading unit with gas pressurized springs. Based on the results it can be concluded that joints with adhesives of high and intermediate stiffness enable an increase of characteristic failure loads and a significant reduction of deformation. With the stiffer joint near-surface rupture of timber fibers becomes the prevailing failure mechanism. The timber strength limits further loading of the adhesive joint. However, ageing and creep testing reveal also shortcomings of the adhesives. Their application can only be recommended if redundant compensation measures are taken or the joint is protected against critical environmental impacts. Appropriate solutions are proposed with the final recommendations of this work. Methods and assessment tools that have been developed and tested for this work offer the possibility of a more straight-forward evaluation of further promising adhesives and their use in load-bearing timber-glass composites.