Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2006

Universiẗat, Diss., 2003--Bochum.

In der Architektur gibt es seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts immer wieder Bestrebungen den Baustoff Glas als tragendes Bauteil einzusetzen. So werden beispielsweise Glasträger in Dachkonstruktionen oder Glasschwerter in Fassadenkonstruktionen verbaut, um die Transparenz und damit den Eindruck der Filigranität zu erhöhen. Aufgrund des spröden Bruchverhaltens und der hohen Druckfestigkeit von Glas ist das Material für den Einsatz als ein auf Druckkraft beanspruchtes Bauteil prädestiniert. Erste Anwendungen von Glas als tragendes Bauteil in einer Konstruktion lassen sich in das 19. Jahrhundert zurückverfolgen. Bei den Pflanzen- und Gewächshäusern nach Loudonscher Bauart wurden kleinformatige Glasscheiben zur Aussteifung der gusseisernen Tragskelette genutzt. In der Moderne gibt es, wenn auch nur vereinzelt, Bemühungen, großformatige Gläser zur Aussteifung von Glasfassaden oder im druckkraftbeanspruchten Obergurt von Dachkonstruktionen am Lastabtrag zu beteiligen. Bei jeder Anwendung stellt sich für die Ingenieure die Frage, wie Kräfte aus der benachbarten Konstruktion in die Glasscheibe eingetragen werden. Die im Glasbau übliche Verklotzung der Gläser mit der Rahmenkonstruktion kann hierzu ein profanes Mittel sein. Da die zu erwartenden Klotzungskräfte bei aussteifenden Glasscheiben deutlich höher sind, als die normalerweise mit den Klotzungen aufzunehmenden Belastungen aus dem Eigengewicht der Glasscheibe, sind die üblichen Verglasungsklötze aus PVC oder Hartholz hier ungeeignet. Es stellt sich daher immer die Frage nach einem geeigneten Material und einem geeigneten Aufbau der Klotzung. Die vorliegende Arbeit beschreibt Materialuntersuchungen an Kunststoffen hinsichtlich der Eignung als hoch belastbares Klotzungsmaterial. An einer Auswahl von zehn potentiell geeigneten Kunststoffen werden Materialeigenschaften unter Zug- und Druckbeanspruchung, bei unterschiedlichen Temperaturen und bei Langzeitbelastung gegenübergestellt. Anhand der Ergebnisse werden Empfehlungen zur Eignung getroffen und die Einsatzgrenzen der Kunststoffe aufgezeigt. Neben der Tragfähigkeit der Klotzung ist vor allem die Belastbarkeitsgrenze des Glases bei der Bemessung relevant. Anhand von Finite-Element-Modellen wird die Spannungsverteilung in der Glasscheibe im Bereich der Klotzung simuliert. Durch Variation geometrischer und materialbezogener Parameter werden hier die Einflüsse auf die Spannungsverteilung in der Glasscheibe dargestellt. Nur durch einen flächigen Kontakt zwischen Klotzung und Glasscheibenkante ist eine optimale Kraftübertragung möglich. Eine Klotzungskonstruktion für hohe Lasten muss daher in der Lage sein, Maßtoleranzen und Bewegungen der Glasscheibenkante ausgleichen zu können. Anhand von Beispielen an Klotzungskonstruktionen werden Vorschläge gemacht, wie diese Problemstellung konstruktiv gelöst werden kann. Mit dem Entstehen dieser Arbeit wurde 2009 mit der Innenhofüberdachung des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais in Berlin eine neuartige Dachkonstruktion mit tragenden Glasscheiben im Obergurt verwirklicht. Abschließend wird, anhand der vom Autor für dieses Projekt entwickelten Klotzungskonstruktion, durch Bauteilversuche die Leistungsfähigkeit derartiger Klotzungen auch unter Verwendung unterschiedlicher Materialien dargestellt. / Since the nineteen-fifties architects are attempting to use the building material glass as a structural member. For example, glass beams are used in roof constructions, and glass fins are part of façade constructions in order to achieve a higher level of transparency and to ensure a filigree appearance. Due to its brittle fracture behaviour and its high compressive strength, glass is predestined for the use as compression member. First documented applications of glass as a structural member in a construction can be found in the nineteenth century. In the greenhouses architecture built in the style of Loudon small glass panes were used for stiffening the cast-iron frame structure. In modern times, there are sporadic efforts to utilize largescale glass panes as a means of stiffening glass façades, or as part of the load-bearing upper chord of roof constructions where it is under compression forces. With each application, engineers have to consider how forces are to be transferred from the surrounding construction into the glass pane. In the field of glass structures, the common method of blocking a glass pane with its frame construction can be a suitable means. Because the blocking forces of stiffening glass panes are expected to be much higher than the forces which normally occur when transferring the dead load of glass panes into blocks, the commonly used materials PVC and hardwood are not sufficient. The question of a suitable block material and suitable blocking design must be answered. This dissertation presents material tests on plastics relating to their applicability as a highly resilient block material. Out of a selection of ten potentially suitable plastics the material properties under tensile and compressive load, under different temperatures, and under long-term load are examined. The results of these tests are used to formulate recommendations on suitability and limits of the tested materials. In addition to the bearing capacity of the blocking, mainly the strenght of glass is relevant for the dimensioning. Using finite-element-models, the stress distribution in the glass pane near the blocking is simulated. By varying geometric and material related parameters, the influence on the stress distribution is studied. Optimal load-bearing is only possible when the edge of a glass pane is in contact with the whole surface of the block material. This means, that a high-load-bearing blocking structure has to be able to compensate tolerances and movements of the glass pane. Some examples are presented to show how this problem can be solved constructionally. In 2009 – while this dissertation was being written – the roofing above the inner courtyard of the former Reichstagspräsidentenpalais in Berlin was built using a new type of roof construction, which uses load-bearing glass panes in the upper chord of the truss. Finally, the performance of the blocking construction, which the author developed for this project, is analysed by means of component tests and the use of different block materials.

In der Architektur gibt es seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts immer wieder Bestrebungen den Baustoff Glas als tragendes Bauteil einzusetzen. So werden beispielsweise Glasträger in Dachkonstruktionen oder Glasschwerter in Fassadenkonstruktionen verbaut, um die Transparenz und damit den Eindruck der Filigranität zu erhöhen. Aufgrund des spröden Bruchverhaltens und der hohen Druckfestigkeit von Glas ist das Material für den Einsatz als ein auf Druckkraft beanspruchtes Bauteil prädestiniert. Erste Anwendungen von Glas als tragendes Bauteil in einer Konstruktion lassen sich in das 19. Jahrhundert zurückverfolgen. Bei den Pflanzen- und Gewächshäusern nach Loudonscher Bauart wurden kleinformatige Glasscheiben zur Aussteifung der gusseisernen Tragskelette genutzt. In der Moderne gibt es, wenn auch nur vereinzelt, Bemühungen, großformatige Gläser zur Aussteifung von Glasfassaden oder im druckkraftbeanspruchten Obergurt von Dachkonstruktionen am Lastabtrag zu beteiligen. Bei jeder Anwendung stellt sich für die Ingenieure die Frage, wie Kräfte aus der benachbarten Konstruktion in die Glasscheibe eingetragen werden. Die im Glasbau übliche Verklotzung der Gläser mit der Rahmenkonstruktion kann hierzu ein profanes Mittel sein. Da die zu erwartenden Klotzungskräfte bei aussteifenden Glasscheiben deutlich höher sind, als die normalerweise mit den Klotzungen aufzunehmenden Belastungen aus dem Eigengewicht der Glasscheibe, sind die üblichen Verglasungsklötze aus PVC oder Hartholz hier ungeeignet. Es stellt sich daher immer die Frage nach einem geeigneten Material und einem geeigneten Aufbau der Klotzung. Die vorliegende Arbeit beschreibt Materialuntersuchungen an Kunststoffen hinsichtlich der Eignung als hoch belastbares Klotzungsmaterial. An einer Auswahl von zehn potentiell geeigneten Kunststoffen werden Materialeigenschaften unter Zug- und Druckbeanspruchung, bei unterschiedlichen Temperaturen und bei Langzeitbelastung gegenübergestellt. Anhand der Ergebnisse werden Empfehlungen zur Eignung getroffen und die Einsatzgrenzen der Kunststoffe aufgezeigt. Neben der Tragfähigkeit der Klotzung ist vor allem die Belastbarkeitsgrenze des Glases bei der Bemessung relevant. Anhand von Finite-Element-Modellen wird die Spannungsverteilung in der Glasscheibe im Bereich der Klotzung simuliert. Durch Variation geometrischer und materialbezogener Parameter werden hier die Einflüsse auf die Spannungsverteilung in der Glasscheibe dargestellt. Nur durch einen flächigen Kontakt zwischen Klotzung und Glasscheibenkante ist eine optimale Kraftübertragung möglich. Eine Klotzungskonstruktion für hohe Lasten muss daher in der Lage sein, Maßtoleranzen und Bewegungen der Glasscheibenkante ausgleichen zu können. Anhand von Beispielen an Klotzungskonstruktionen werden Vorschläge gemacht, wie diese Problemstellung konstruktiv gelöst werden kann. Mit dem Entstehen dieser Arbeit wurde 2009 mit der Innenhofüberdachung des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais in Berlin eine neuartige Dachkonstruktion mit tragenden Glasscheiben im Obergurt verwirklicht. Abschließend wird, anhand der vom Autor für dieses Projekt entwickelten Klotzungskonstruktion, durch Bauteilversuche die Leistungsfähigkeit derartiger Klotzungen auch unter Verwendung unterschiedlicher Materialien dargestellt.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Abgrenzung 2 Stand der Kenntnisse 2.1 Einleitung 2.2 Pflanzen- und Gewächshäuser im Europa des 19. Jahrhunderts 2.3 Konstruktiver Glasbau 2.3.1 Allgemeines 2.3.2 Glasdach der Lindener Volksbank 2.3.3 Glaskuppel des Weltbildverlages und Glastonne des Maximilianmuseums in Augsburg 3 Ein Glasdach über dem Innenhof des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais in Berlin 3.1 Einleitung 3.2 Zur Geschichte 3.3 Entwurf 3.4 Tragwerk 3.5 Genehmigungsverfahren 3.6 Ausführung 4 Aufbau und Wirkungsweise der Klotzung 4.1 Die Klotzung im Glasbau 4.2 Glas 4.2.1 Flachglas im Bauwesen 4.2.2 Glasarten für die Anwendung im Bauwesen 4.2.3 Thermisch vorgespanntes Glas 4.2.4 Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas 4.2.5 Qualität der Glaskanten 4.2.6 Bemessungsverfahren im Glasbau 4.3 Materialien für Klotzungskonstruktionen 4.3.1 Allgemeine Anforderungen 4.3.2 Kunststoffe 4.3.3 Kurzfaserverstärkte Thermoplaste 4.3.4 Mörtelsysteme 5 Substanzuntersuchungen an Kunststoffen 5.1 Materialauswahl 5.2 Eigenschaften der Kunststoffe 5.2.1 POM Polyacetal 5.2.2 PA Polyamid 5.2.3 PET Polyethylenterephthalat 5.2.4 PI Polyimide 5.2.5 PEEK Polyetheretherketon 5.3 Uniaxiale Zugkraftbeanspruchung 5.3.1 Allgemeines 5.3.2 Prüfkörper 5.3.3 Prüfmaschine und Konditionierung 5.3.4 Eingangswerte 5.3.5 Versuchsdurchführung 5.3.6 Versuchsergebnisse bei 23°C 5.3.7 Versuchsergebnisse bei +50°C 5.3.8 Versuchsergebnisse bei -20°C 5.3.9 Zusammenfassung 5.4 Uniaxiale Druckkraftbeanspruchung 5.4.1 Allgemeines 5.4.2 Versuchsdurchführung 5.4.3 Versuchsergebnisse 5.4.4 Zusammenfassung 5.5 Technisch nutzbare Kurzzeit-Druckfestigkeit 5.5.1 Allgemeines 5.5.2 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit nach dem Prinzip der maximalen Druckspannung 5.5.3 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit durch Begrenzung der Stauchung 5.5.4 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit durch Begrenzung des Steifigkeitsverlustes 5.5.5 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit durch Begrenzung der viskosen Dehnung 5.6 Verformungsverhalten unter statischer Langzeitbelastung 5.6.1 Allgemeines 5.6.2 Mathematische Modelle zur Abbildung des viskoelastischen Materialverhaltens 5.6.3 Zeitstand-Druckversuch 5.6.4 Kriechversuche an Rohrquerschnitten mit geringer Höhe 5.6.5 Kriechversuche mit PEI an schlanken Prüfkörpern mit Rechteckquerschnitt 5.7 Dynamisch-Mechanische Analyse 5.7.1 Grundlagen 5.7.2 DMA - 3-Punktbiegung 5.7.3 DMA - Zugversuch 5.7.4 Auswertung 5.8 Reibkoeffizient Kunststoff auf Glas 5.9 Zusammenfassung und Wertung 6 Konstruktive Ausbildungen von Klotzungskonstruktionen 6.1 Lasteinleitung in eine ideal plane Scheibenkante 6.1.1 Definition der ideal planen Scheibenkante 6.1.2 Klotzung einer Einzelscheibe 6.1.3 Klotzung eines VSG ohne Versatz 6.2 Ausgleich von Schiefstellungen der Scheibenkante durch die Klotzungskonstruktion 6.3 Ausgleich von Maßtoleranzen durch die Klotzungskonstruktion 6.4 Gleichmäßige Lasteinleitung in Scheibenkanten mit Versatz 6.4.1 Allgemeines 6.4.2 Klotzung eines VSG mit Kantenversatz durch die Verwendung von Mörtelsystemen 6.4.3 Klotzung einer Einzelscheibe eines VSG 6.4.4 Klotzung eines VSG mit Versatz durch ein Mehrfach-Scharniergelenk 6.5 Konstruktionsleitfaden 6.5.1 Anforderungen und Empfehlungen an die Klotzung 6.5.2 Anforderungen und Empfehlungen an die Glasscheibe 6.5.3 Geometrische Anforderungen und Empfehlungen 6.5.4 Vorgehen 7 Numerische Berechnungen 7.1 Spannungsverteilung in der Glaskante bei Einleitung von Klotzungslasten 7.1.1 Allgemeines 7.1.2 Vereinfachtes Modell der Lasteinleitung in die Glaskante 7.1.3 Einfluss des Randabstandes der Klotzung auf die Spannungsverteilung an der Glaskante 7.1.4 Einfluss des Reibkoeffizienten μ zwischen Kontaktmaterial und Glaskante auf die Spannungsverteilung an der Glaskante 7.2 FE-Modell der Klotzung für das Glasdach des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais 7.2.1 Einleitung 7.2.2 FE-Modell 7.2.3 Ergebnisse der FE-Berechnung 8 Experimentelle Untersuchungen an Klotzungskonstruktionen 8.1 Keilförmiger Kontaktklotz 8.1.1 Grundlagen 8.1.2 Versuchsaufbau 8.1.3 Versuchsdurchführung 8.1.4 Versuchsergebnisse 8.1.5 Zusammenfassung 8.2 Klotzungskonstruktion der Innenhofüberdachung des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais in Berlin 8.2.1 Grundlagen 8.2.2 Versuchsaufbau 8.2.3 Versuchsdurchführung 8.2.4 Versuchsergebnisse 8.3 Last-Verformungs-Verhalten einer 3-teiligen Klotzung 8.3.1 Grundlagen 8.3.2 Versuchsaufbau 8.3.3 Versuchsdurchführung 8.3.4 Versuchsergebnisse 9 Ergebnisse und Bewertung 10 Ausblick 11 Literatur 11.1 Fachbücher und Fachaufsätze 11.2 Normen und Richtlinien 11.3 Zulassungen und Gutachten 11.4 Produktdatenblätter 12 Abbildungsnachweis 13 Bezeichnungen 13.1 Formelzeichen 13.2 Abkürzungen / Since the nineteen-fifties architects are attempting to use the building material glass as a structural member. For example, glass beams are used in roof constructions, and glass fins are part of façade constructions in order to achieve a higher level of transparency and to ensure a filigree appearance. Due to its brittle fracture behaviour and its high compressive strength, glass is predestined for the use as compression member. First documented applications of glass as a structural member in a construction can be found in the nineteenth century. In the greenhouses architecture built in the style of Loudon small glass panes were used for stiffening the cast-iron frame structure. In modern times, there are sporadic efforts to utilize largescale glass panes as a means of stiffening glass façades, or as part of the load-bearing upper chord of roof constructions where it is under compression forces. With each application, engineers have to consider how forces are to be transferred from the surrounding construction into the glass pane. In the field of glass structures, the common method of blocking a glass pane with its frame construction can be a suitable means. Because the blocking forces of stiffening glass panes are expected to be much higher than the forces which normally occur when transferring the dead load of glass panes into blocks, the commonly used materials PVC and hardwood are not sufficient. The question of a suitable block material and suitable blocking design must be answered. This dissertation presents material tests on plastics relating to their applicability as a highly resilient block material. Out of a selection of ten potentially suitable plastics the material properties under tensile and compressive load, under different temperatures, and under long-term load are examined. The results of these tests are used to formulate recommendations on suitability and limits of the tested materials. In addition to the bearing capacity of the blocking, mainly the strenght of glass is relevant for the dimensioning. Using finite-element-models, the stress distribution in the glass pane near the blocking is simulated. By varying geometric and material related parameters, the influence on the stress distribution is studied. Optimal load-bearing is only possible when the edge of a glass pane is in contact with the whole surface of the block material. This means, that a high-load-bearing blocking structure has to be able to compensate tolerances and movements of the glass pane. Some examples are presented to show how this problem can be solved constructionally. In 2009 – while this dissertation was being written – the roofing above the inner courtyard of the former Reichstagspräsidentenpalais in Berlin was built using a new type of roof construction, which uses load-bearing glass panes in the upper chord of the truss. Finally, the performance of the blocking construction, which the author developed for this project, is analysed by means of component tests and the use of different block materials.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Abgrenzung 2 Stand der Kenntnisse 2.1 Einleitung 2.2 Pflanzen- und Gewächshäuser im Europa des 19. Jahrhunderts 2.3 Konstruktiver Glasbau 2.3.1 Allgemeines 2.3.2 Glasdach der Lindener Volksbank 2.3.3 Glaskuppel des Weltbildverlages und Glastonne des Maximilianmuseums in Augsburg 3 Ein Glasdach über dem Innenhof des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais in Berlin 3.1 Einleitung 3.2 Zur Geschichte 3.3 Entwurf 3.4 Tragwerk 3.5 Genehmigungsverfahren 3.6 Ausführung 4 Aufbau und Wirkungsweise der Klotzung 4.1 Die Klotzung im Glasbau 4.2 Glas 4.2.1 Flachglas im Bauwesen 4.2.2 Glasarten für die Anwendung im Bauwesen 4.2.3 Thermisch vorgespanntes Glas 4.2.4 Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas 4.2.5 Qualität der Glaskanten 4.2.6 Bemessungsverfahren im Glasbau 4.3 Materialien für Klotzungskonstruktionen 4.3.1 Allgemeine Anforderungen 4.3.2 Kunststoffe 4.3.3 Kurzfaserverstärkte Thermoplaste 4.3.4 Mörtelsysteme 5 Substanzuntersuchungen an Kunststoffen 5.1 Materialauswahl 5.2 Eigenschaften der Kunststoffe 5.2.1 POM Polyacetal 5.2.2 PA Polyamid 5.2.3 PET Polyethylenterephthalat 5.2.4 PI Polyimide 5.2.5 PEEK Polyetheretherketon 5.3 Uniaxiale Zugkraftbeanspruchung 5.3.1 Allgemeines 5.3.2 Prüfkörper 5.3.3 Prüfmaschine und Konditionierung 5.3.4 Eingangswerte 5.3.5 Versuchsdurchführung 5.3.6 Versuchsergebnisse bei 23°C 5.3.7 Versuchsergebnisse bei +50°C 5.3.8 Versuchsergebnisse bei -20°C 5.3.9 Zusammenfassung 5.4 Uniaxiale Druckkraftbeanspruchung 5.4.1 Allgemeines 5.4.2 Versuchsdurchführung 5.4.3 Versuchsergebnisse 5.4.4 Zusammenfassung 5.5 Technisch nutzbare Kurzzeit-Druckfestigkeit 5.5.1 Allgemeines 5.5.2 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit nach dem Prinzip der maximalen Druckspannung 5.5.3 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit durch Begrenzung der Stauchung 5.5.4 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit durch Begrenzung des Steifigkeitsverlustes 5.5.5 Bestimmung der Kurzzeit-Druckfestigkeit durch Begrenzung der viskosen Dehnung 5.6 Verformungsverhalten unter statischer Langzeitbelastung 5.6.1 Allgemeines 5.6.2 Mathematische Modelle zur Abbildung des viskoelastischen Materialverhaltens 5.6.3 Zeitstand-Druckversuch 5.6.4 Kriechversuche an Rohrquerschnitten mit geringer Höhe 5.6.5 Kriechversuche mit PEI an schlanken Prüfkörpern mit Rechteckquerschnitt 5.7 Dynamisch-Mechanische Analyse 5.7.1 Grundlagen 5.7.2 DMA - 3-Punktbiegung 5.7.3 DMA - Zugversuch 5.7.4 Auswertung 5.8 Reibkoeffizient Kunststoff auf Glas 5.9 Zusammenfassung und Wertung 6 Konstruktive Ausbildungen von Klotzungskonstruktionen 6.1 Lasteinleitung in eine ideal plane Scheibenkante 6.1.1 Definition der ideal planen Scheibenkante 6.1.2 Klotzung einer Einzelscheibe 6.1.3 Klotzung eines VSG ohne Versatz 6.2 Ausgleich von Schiefstellungen der Scheibenkante durch die Klotzungskonstruktion 6.3 Ausgleich von Maßtoleranzen durch die Klotzungskonstruktion 6.4 Gleichmäßige Lasteinleitung in Scheibenkanten mit Versatz 6.4.1 Allgemeines 6.4.2 Klotzung eines VSG mit Kantenversatz durch die Verwendung von Mörtelsystemen 6.4.3 Klotzung einer Einzelscheibe eines VSG 6.4.4 Klotzung eines VSG mit Versatz durch ein Mehrfach-Scharniergelenk 6.5 Konstruktionsleitfaden 6.5.1 Anforderungen und Empfehlungen an die Klotzung 6.5.2 Anforderungen und Empfehlungen an die Glasscheibe 6.5.3 Geometrische Anforderungen und Empfehlungen 6.5.4 Vorgehen 7 Numerische Berechnungen 7.1 Spannungsverteilung in der Glaskante bei Einleitung von Klotzungslasten 7.1.1 Allgemeines 7.1.2 Vereinfachtes Modell der Lasteinleitung in die Glaskante 7.1.3 Einfluss des Randabstandes der Klotzung auf die Spannungsverteilung an der Glaskante 7.1.4 Einfluss des Reibkoeffizienten μ zwischen Kontaktmaterial und Glaskante auf die Spannungsverteilung an der Glaskante 7.2 FE-Modell der Klotzung für das Glasdach des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais 7.2.1 Einleitung 7.2.2 FE-Modell 7.2.3 Ergebnisse der FE-Berechnung 8 Experimentelle Untersuchungen an Klotzungskonstruktionen 8.1 Keilförmiger Kontaktklotz 8.1.1 Grundlagen 8.1.2 Versuchsaufbau 8.1.3 Versuchsdurchführung 8.1.4 Versuchsergebnisse 8.1.5 Zusammenfassung 8.2 Klotzungskonstruktion der Innenhofüberdachung des ehemaligen Reichstagspräsidentenpalais in Berlin 8.2.1 Grundlagen 8.2.2 Versuchsaufbau 8.2.3 Versuchsdurchführung 8.2.4 Versuchsergebnisse 8.3 Last-Verformungs-Verhalten einer 3-teiligen Klotzung 8.3.1 Grundlagen 8.3.2 Versuchsaufbau 8.3.3 Versuchsdurchführung 8.3.4 Versuchsergebnisse 9 Ergebnisse und Bewertung 10 Ausblick 11 Literatur 11.1 Fachbücher und Fachaufsätze 11.2 Normen und Richtlinien 11.3 Zulassungen und Gutachten 11.4 Produktdatenblätter 12 Abbildungsnachweis 13 Bezeichnungen 13.1 Formelzeichen 13.2 Abkürzungen

Die Präsentation stellt kurz die Grundlagen der Berechnung von Schraubenverbindungen in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2230 Teil 1 dar. Auch die vier FEM-Modellklassen, die die VDI 2230 Teil 2 (Entwurf) zur Berechnung von Mehrschraubenverbindungen vorschlägt, werden behandelt, und die in Creo Simulate vorhandenen Softwarefeatures zu deren Umsetzung vorgestellt. Es folgt eine Darstellung, was bei der Linearisierung von Schraubenverbindungen zur vereinfachten Berechnung zu beachten ist, und wieso bei der Berechnung im FEM-System dann nicht notwendigerweise eine Vorspannung benötigt wird. Ausführlich wird das neue Schraubenfeature in Creo Simulate betrachtet, das eine weitgehend automatisierte Modellierung und Berechnung von Standardverschraubungen erlaubt. Weitere Features, wie die neuen Vorspannelemente, werden erläutert, sowie auch die Grenzen der Software aufgezeigt. Abschließend werden zwei anspruchsvolle Anwendungsbeispiele vorgestellt: Eine zentrisch belastete Verschraubung mit Berücksichtigung von Elasto-Plastizität und einer komplexen Lasthistorie (Anziehen durch Anzugsmoment, Setzeffekte, Entfall des Torsionsmomentes durch das Anziehen, Betriebskraft) sowie eine exzentrisch belastete Verschraubung, die wegen eines relativ dünnen Flansches starke Biegezusatzbeanspruchungen erfährt. / The presentation shows the foundations of bolt analysis according to VDI-guideline 2230 part 1. In addition, the four FEM model classes proposed in VDI 2230 part 2 (draft) are described, as well as the features available in Creo Simulate to realize these model classes. Next, the presentation shows the requirements for linearizing bolted connections, and why in a FEM analysis with a linearized connection no preload is necessary. The new fastener feature introduced in Creo Simulate is explained in detail. This feature allows the automated modeling and analysis of bolted connections having standard geometry. Further software features, like pretension elements, as well as the current software limitations are shown. Finally, two advanced application examples are shown: A centrically loaded bolted connection taking into account elasto-plasticity and a complex load history (tightening torque, embedding, removal of tightening stress, operational load), and an eccentrically loaded flange connection, which is subjected to high additional bending loads because the flange is relatively thin.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Versuchskonzept für zweiaxiale Zug-Zug-Versuche an textilbewehrten Betonscheiben behandelt. Diese Arbeit soll einen Beitrag leisten, die Kenntnisse aus dem Maschinenbau, der Mechanik in den Bereich der Bauingenieure und Baustoffe umzusetzen, um alle Effekte, die vom Versuchstand verursacht werden, öffentlich zu machen. Es ist ein Versuchskonzept zu erarbeiten, wie ein experimenteller Zug-Zug-Versuch optimal zu gestalten ist, um das Tragverhalten des textilbewehrten Betons genau zu ermitteln. Die Arbeit ist hauptsächlich in zwei Teile gegliedert. Der erster Teil befasst sich mit dem Thema „Versuchsvorbereitung“. Es beinhaltet folgende Hauptpunkte: • Der erste Punkt beschäftigt sich mit der Auswertung durchgeführter Versuche und deren Versuchsaufbauten. Hier werden Aspekte von der konstruktiven Auslegung der Rahmen bis zur Steuerung der Prüfmaschine behandelt. Es wird diskutiert, welche Effekte auf das Versuchsergebnis vom gewählten Hydrauliksystem bzw. von den Hydraulikzylinder und der Steuerung des Öldrucks ausgehen können. • Im zweiten Punkt wird eine Finite–Element–Simulationen durchgeführt, um die zweiaxialen Zug-Zug-Versuchskörper zu konzipieren. Mit Hilfe von einem Finite–Element– Programm, hier ATENA, wird die Probengeometrie mit den Randbedingungen des Versuchs nachgebildet und optimiert. • Der dritte Punkt beschäftigt sich mit dem Thema „Lasteinleitung“. Ein Konzept für die Verbindung und Kraftübertragung von Stahlplatten (Stahllasche) zur Lasteinleitung in „Beton“ soll entwickelt werden. • Der vierte Punkt beschreibt die gewählte Messmethode der Versuchsdurchführung, und wertet deren Potenzial und Möglichkeiten . Der zweiter Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt detailliert die fünf durchgeführten zweiaxialen Zug–Zug–Versuche an mit AR-Glas textilbewehrten Betonscheiben. Die textilbewehrten Betonscheiben werden am Rahmen der zweiaxialen Prüfmaschine eingehängt und zweiaxial mit jeweils konstantem Verhältnis der Beanspruchung in Zug–Zug Richtung belastet, um den Versuchstand zu erproben und auszutesten. Die Gedanken, Ergänzungen und Erkenntnisse der Autorin im Zusammenhang mit dem textilbewehrten Beton und die hier auftretenden Effekte werden auch in diesem Kapitel behandelt. Das Schlusskapitel der Arbeit beinhaltet die Zusammenfassung und den weiteren Ausblick. Aus diesem Anlass werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zusammengefasst. / This doctoral thesis pertains to the conception for Bi–axial Tension–Tension Tests of thin textile reinforced concrete plates. This dissertation contributes to the application of mechanical engineering knowledge into the specific area of Material–Construction Engineering; all results obtained from experimental conditions will be released to the public. The conception of this testing regime is presented, as well as the manner in which an experimental Tension–Tension Test can optimally ascertain and accurately predict and describe load-bearing behaviour of textile reinforced concrete (TRC). This thesis is generally subdivided into two parts –“Test Preparation” and the detail of Bi-axial Tension-Tension testing on AR-Glass TRC plates. The “Test Preparation” component of this document includes the following four principal points. The first point is concerned with the assembly of testing equipment. Problems stemming from framework or lack of control over the testing machine are examined here. Negative effects on test results induced by the Hydraulic cylinder and related oil pressure are investigated and complemented in this section. The second point focuses on the numerical simulation used in order to determine the Bi–axial Tension–Tension Test samples. The specimen geometry given the testing boundary conditions was copied and optimized by means of a Finite–Element–Program (ATENA). The third point is concerned with the notion of “load application”. It was necessary to develop a premise for the loading transmission and connection between steel plates (steel mounting plates) and concrete cogs. The final point takes into account the methods used for measuring the Bi–axial Tension–Tension–test of this work. The second component present in this thesis describes in detail the five Bi–axial Tension–Tension–Tests conducted on AR–Glass TRC plates utilized to prove and ensure the accuracy of the experimental equipment. The TRC plate was built on frame of the bi-axial testing machine and received tensile loading in both directions. This loading relationship was held constant in both directions during the test. Furthermore, the author presents her own thoughts, as well as supplemental commentary, associated with textile reinforced concrete and the resulting experimental outcomes. The last chapter closes this doctoral thesis and includes the abstract of and further prospects for this study. All scientific cognitions are summarised in this chapter.

Fibre reinforced plastics (FRP) are increasingly employed in structural parts of the automotive, aviation and aerospace as well as railway industries. For those applications a heavily loaded, as well as crash and safety relevant force translation component is developed. This Hybrid-Insert consists of SMC and a metal insert, and is based on modular assembly through standard elements. The galvanic insulation of the metal insert by the SMC provides an excellent corrosion protection. The couplingstrength of the metal insert moulded into the SMC fulfills the tensile requirements of a M10 10.9 screw fit by VDI 2230 standards. Additionally the component provides a high degree of energy absorption and a gradual failure process. / Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden zunehmend in Strukturbauteilen der Automobil-,der Luft- und Raumfahrt- sowie der Schienenfahrzeugindustrie eingesetzt. Für diese Anwendungen wird ein hochbelastetes sowie crash- und sicherheitsrelevantes Krafteinleitungselement entwickelt. Dieses Hybrid-Insert, bestehend aus SMC und einem Metalleinsatz, ist modular aus Standardkomponenten aufgebaut. Die galvanische Isolation des Metalleinsatzes durch das SMC bietet für diesen einen hervorragenden Korrosionsschutz. Die Verankerungsfestigkeit des Metalleinsatzes im SMC genügt den Anforderungen einer M10 10.9 Verschraubung nach VDI 2230. Zusätzlich zeichnet sich das Krafteinleitungselement durch eine hohe Energieabsorption und ein gutmütiges Versagen aus.

Fibre reinforced plastics (FRP) are increasingly employed in structural parts of the automotive, aviation and aerospace as well as railway industries. For those applications a heavily loaded, as well as crash and safety relevant force translation component is developed. This Hybrid-Insert consists of SMC and a metal insert, and is based on modular assembly through standard elements. The galvanic insulation of the metal insert by the SMC provides an excellent corrosion protection. The couplingstrength of the metal insert moulded into the SMC fulfills the tensile requirements of a M10 10.9 screw fit by VDI 2230 standards. Additionally the component provides a high degree of energy absorption and a gradual failure process. / Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden zunehmend in Strukturbauteilen der Automobil-,der Luft- und Raumfahrt- sowie der Schienenfahrzeugindustrie eingesetzt. Für diese Anwendungen wird ein hochbelastetes sowie crash- und sicherheitsrelevantes Krafteinleitungselement entwickelt. Dieses Hybrid-Insert, bestehend aus SMC und einem Metalleinsatz, ist modular aus Standardkomponenten aufgebaut. Die galvanische Isolation des Metalleinsatzes durch das SMC bietet für diesen einen hervorragenden Korrosionsschutz. Die Verankerungsfestigkeit des Metalleinsatzes im SMC genügt den Anforderungen einer M10 10.9 Verschraubung nach VDI 2230. Zusätzlich zeichnet sich das Krafteinleitungselement durch eine hohe Energieabsorption und ein gutmütiges Versagen aus.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Versuchskonzept für zweiaxiale Zug-Zug-Versuche an textilbewehrten Betonscheiben behandelt. Diese Arbeit soll einen Beitrag leisten, die Kenntnisse aus dem Maschinenbau, der Mechanik in den Bereich der Bauingenieure und Baustoffe umzusetzen, um alle Effekte, die vom Versuchstand verursacht werden, öffentlich zu machen. Es ist ein Versuchskonzept zu erarbeiten, wie ein experimenteller Zug-Zug-Versuch optimal zu gestalten ist, um das Tragverhalten des textilbewehrten Betons genau zu ermitteln. Die Arbeit ist hauptsächlich in zwei Teile gegliedert. Der erster Teil befasst sich mit dem Thema „Versuchsvorbereitung“. Es beinhaltet folgende Hauptpunkte: • Der erste Punkt beschäftigt sich mit der Auswertung durchgeführter Versuche und deren Versuchsaufbauten. Hier werden Aspekte von der konstruktiven Auslegung der Rahmen bis zur Steuerung der Prüfmaschine behandelt. Es wird diskutiert, welche Effekte auf das Versuchsergebnis vom gewählten Hydrauliksystem bzw. von den Hydraulikzylinder und der Steuerung des Öldrucks ausgehen können. • Im zweiten Punkt wird eine Finite–Element–Simulationen durchgeführt, um die zweiaxialen Zug-Zug-Versuchskörper zu konzipieren. Mit Hilfe von einem Finite–Element– Programm, hier ATENA, wird die Probengeometrie mit den Randbedingungen des Versuchs nachgebildet und optimiert. • Der dritte Punkt beschäftigt sich mit dem Thema „Lasteinleitung“. Ein Konzept für die Verbindung und Kraftübertragung von Stahlplatten (Stahllasche) zur Lasteinleitung in „Beton“ soll entwickelt werden. • Der vierte Punkt beschreibt die gewählte Messmethode der Versuchsdurchführung, und wertet deren Potenzial und Möglichkeiten . Der zweiter Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt detailliert die fünf durchgeführten zweiaxialen Zug–Zug–Versuche an mit AR-Glas textilbewehrten Betonscheiben. Die textilbewehrten Betonscheiben werden am Rahmen der zweiaxialen Prüfmaschine eingehängt und zweiaxial mit jeweils konstantem Verhältnis der Beanspruchung in Zug–Zug Richtung belastet, um den Versuchstand zu erproben und auszutesten. Die Gedanken, Ergänzungen und Erkenntnisse der Autorin im Zusammenhang mit dem textilbewehrten Beton und die hier auftretenden Effekte werden auch in diesem Kapitel behandelt. Das Schlusskapitel der Arbeit beinhaltet die Zusammenfassung und den weiteren Ausblick. Aus diesem Anlass werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zusammengefasst. / This doctoral thesis pertains to the conception for Bi–axial Tension–Tension Tests of thin textile reinforced concrete plates. This dissertation contributes to the application of mechanical engineering knowledge into the specific area of Material–Construction Engineering; all results obtained from experimental conditions will be released to the public. The conception of this testing regime is presented, as well as the manner in which an experimental Tension–Tension Test can optimally ascertain and accurately predict and describe load-bearing behaviour of textile reinforced concrete (TRC). This thesis is generally subdivided into two parts –“Test Preparation” and the detail of Bi-axial Tension-Tension testing on AR-Glass TRC plates. The “Test Preparation” component of this document includes the following four principal points. The first point is concerned with the assembly of testing equipment. Problems stemming from framework or lack of control over the testing machine are examined here. Negative effects on test results induced by the Hydraulic cylinder and related oil pressure are investigated and complemented in this section. The second point focuses on the numerical simulation used in order to determine the Bi–axial Tension–Tension Test samples. The specimen geometry given the testing boundary conditions was copied and optimized by means of a Finite–Element–Program (ATENA). The third point is concerned with the notion of “load application”. It was necessary to develop a premise for the loading transmission and connection between steel plates (steel mounting plates) and concrete cogs. The final point takes into account the methods used for measuring the Bi–axial Tension–Tension–test of this work. The second component present in this thesis describes in detail the five Bi–axial Tension–Tension–Tests conducted on AR–Glass TRC plates utilized to prove and ensure the accuracy of the experimental equipment. The TRC plate was built on frame of the bi-axial testing machine and received tensile loading in both directions. This loading relationship was held constant in both directions during the test. Furthermore, the author presents her own thoughts, as well as supplemental commentary, associated with textile reinforced concrete and the resulting experimental outcomes. The last chapter closes this doctoral thesis and includes the abstract of and further prospects for this study. All scientific cognitions are summarised in this chapter.

Die Präsentation stellt kurz die Grundlagen der Berechnung von Schraubenverbindungen in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2230 Teil 1 dar. Auch die vier FEM-Modellklassen, die die VDI 2230 Teil 2 (Entwurf) zur Berechnung von Mehrschraubenverbindungen vorschlägt, werden behandelt, und die in Creo Simulate vorhandenen Softwarefeatures zu deren Umsetzung vorgestellt. Es folgt eine Darstellung, was bei der Linearisierung von Schraubenverbindungen zur vereinfachten Berechnung zu beachten ist, und wieso bei der Berechnung im FEM-System dann nicht notwendigerweise eine Vorspannung benötigt wird. Ausführlich wird das neue Schraubenfeature in Creo Simulate betrachtet, das eine weitgehend automatisierte Modellierung und Berechnung von Standardverschraubungen erlaubt. Weitere Features, wie die neuen Vorspannelemente, werden erläutert, sowie auch die Grenzen der Software aufgezeigt. Abschließend werden zwei anspruchsvolle Anwendungsbeispiele vorgestellt: Eine zentrisch belastete Verschraubung mit Berücksichtigung von Elasto-Plastizität und einer komplexen Lasthistorie (Anziehen durch Anzugsmoment, Setzeffekte, Entfall des Torsionsmomentes durch das Anziehen, Betriebskraft) sowie eine exzentrisch belastete Verschraubung, die wegen eines relativ dünnen Flansches starke Biegezusatzbeanspruchungen erfährt. / The presentation shows the foundations of bolt analysis according to VDI-guideline 2230 part 1. In addition, the four FEM model classes proposed in VDI 2230 part 2 (draft) are described, as well as the features available in Creo Simulate to realize these model classes. Next, the presentation shows the requirements for linearizing bolted connections, and why in a FEM analysis with a linearized connection no preload is necessary. The new fastener feature introduced in Creo Simulate is explained in detail. This feature allows the automated modeling and analysis of bolted connections having standard geometry. Further software features, like pretension elements, as well as the current software limitations are shown. Finally, two advanced application examples are shown: A centrically loaded bolted connection taking into account elasto-plasticity and a complex load history (tightening torque, embedding, removal of tightening stress, operational load), and an eccentrically loaded flange connection, which is subjected to high additional bending loads because the flange is relatively thin.