‘Coupled process’ implies that one process affects the initiation and progress of the others and vice versa. The deformation and damage behaviors of rock under loading process change the fluid flow field within it, and lead to altering in permeable characteristics; on the other side inner fluid flow leads to altering in pore pressure and effective stress of rock matrix and flow by influencing stress strain behavior of rock. Therefore, responses of rock to natural or man-made perturbations cannot be predicted with confidence by considering each process independently. As far as hydro-mechanical behavior of rock is concerned, the researchers have always been making efforts to develop the model which can represent the permeable characteristics as well as stress-strain behaviors during the entire damage process. A brittle low porous granite was chosen as the study object in this thesis, the aim is to establish a corresponding constitutive law including the relation between permeability evolution and mechanical deformation as well as the rock failure behavior under hydro-mechanical coupled conditions based on own hydro-mechanical coupled lab tests. The main research works of this thesis are as follows: 1. The fluid flow and mechanical theoretical models have been reviewed and the theoretical methods to solve hydro-mechanical coupled problems of porous medium such as flow equations, elasto-plastic constitutive law, and Biot coupled control equations have been summarized. 2. A series of laboratory tests have been conducted on the granite from Erzgebirge–Vogtland region within the Saxothuringian segment of Central Europe, including: permeability measurements, ultrasonic wave speed measurements, Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests. A hydro-mechanical coupled testing system has been designed and used to conduct drained, undrained triaxial compression tests and permeability evolution measurements during complete loading process. A set of physical and mechanical parameters were obtained. 3. Based on analyzing the complete stress-strain curves obtained from triaxial compression tests and Hoek-Brown failure criterion, a modified elemental elasto-plastic constitutive law was developed which can represent strength degradation and volume dilation considering the influence of confining pressure. 4. The mechanism of HM-coupled behavior according to the Biot theory of elastic porous medium is summarized. A trilinear evolution rule for Biot’s coefficient based on the laboratory observations was deduced to eliminate the error in predicting rock strength caused by constant Biot’s coefficient. 5. The permeability evolution of low porous rock during the failure process was described based on literature data and own measurements, a general rule for the permeability evolution was developed for the laboratory scale, a strong linear relation between permeability and volumetrical strain was observed and a linear function was extracted to predict permeability evolution during loading process based on own measurements. 6. By combining modified constitutive law, the trilinear Biot’s coefficient evolution model and the linear relationship between permeability and volumetrical strain, a fully hydro-mechanical coupled numerical simulation scheme was developed and implemented in FLAC3D. A series of numerical simulations of triaxial compression test considering the hydro-mechanical coupling were performed with FLAC3D. And a good agreement was found between the numerical simulation results and the laboratory measurements under 20 MPa confining pressure and 10 MPa fluid pressure, the feasibility of this fully hydro-mechanical coupled model was proven.

Salzkavernen gelten als vielversprechende Möglichkeit Wasserstoff unter Tage zu speichern. Da aktuell keine Salzkaverne zur kommerziellen Wasserstoffspeicherung in Deutschland existiert, wurden Forschungsvorhaben initiiert, um offene Fragen in diesem Bereich zu klären. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der Dichtheit eines ausgewählten technischen Bohrungsbarriereelements: der letzten zementierten Rohrtour. Laborative Permeabilitätsmessungen stellen eine Möglichkeit dar, den Nachweis der Dichtheit zu erbringen. Zur Messung der Permeabilität werden zwei Versuchsanlagen gebaut, die auf einem instationären Messprinzip basieren. Mit Hilfe dieser Anlagen wird die Durchlässigkeit von Einzelmaterialproben und Verbundproben bestehend aus Steinsalz, Anhydrit, Zementstein und Futterrohr bestimmt und bewertet. Zur Auswertung der Versuche wird eine Software programmiert, die die eindimensionale Strömungsgleichung mit Hilfe der Finiten-Volumen-Methode numerisch löst. Die Arbeit beschreibt die weltweiten Erfahrungen im Bereich untertägiger Wasserstoffspeicherung. Weiterhin wird der Stand der Technik von Permeabilitätsmessungen dargestellt und die Eigenschaften des verwendeten Messverfahrens beschrieben. Mit Hilfe der Auswertung von Dichtheitstest kann gezeigt werden, dass die Anlagen zum Nachweis niedrigster Permeabilitäten geeignet sind. Das grundliegende mathematische Modell und dessen numerische Approximation wird hergeleitet. Die numerischen Fehler und der Modellfehler werden mit Hilfe einer Genauigkeitsanalyse bestimmt. Über die Analyse der Messunsicherheiten der Eingangsparameter erfolgt eine Abschätzung der Messunsicherheit der berechneten Permeabilität. Die Ergebnisse der Permeabilitätsmessungen zeigen, dass der untersuchte Zementstein dichte Verbunde mit Steinsalz und Futterrohr gegenüber Wasserstoff ausbilden kann. Als wichtigste Einflussgröße auf die Permeabilität wird der Effektivdruck identifiziert. Ein Einfluss der Messgase (Wasserstoff und Methan) auf das Strömungsverhalten kann, mit Ausnahme des Klinkenberg-Effekts, nicht nachgewiesen werden. Erfahrungen aus dem Bereich der Erdgasspeicherung sind prinzipiell auf die Wasserstoffspeicherung übertragbar. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in die Erstellung eines Leitfadens zur Errichtung von Wasserstoffkavernen für Genehmigungsbehörden und zukünftige Investoren eingeflossen.

This dissertation evaluates the possibilities and limitations of rock type identification in rock cutting with conical picks. For this, machine learning in conjunction with features derived from high frequency cutting force measurements is used. On the basis of linear cutting experiments, it is shown that boundary layers can be identified with a precision of less than 3.7 cm when using the developed programme routine. It is further shown that rocks weakened by cracks can be well identified and that anisotropic rock behaviour may be problematic to the classification success. In a case study, it is shown that the supervised algorithms artificial neural network and distributed random forest perform relatively well while unsupervised k-means clustering provides limited accuracies for complex situations. The 3d-results are visualised in a web app. The results suggest that a possible rock classification system can achieve good results—that are robust to changes in the cutting parameters when using the proposed evaluation methods.:1 Introduction...1 2 Cutting Excavation with Conical Picks...5 2.1 Cutting Process...8 2.1.2 Cutting Parameters...11 2.1.3 Influences of Rock Mechanical Properties...17 2.1.4 Influences of the Rock Mass...23 2.2 Ratios of Cutting Force Components...24 3 State of the Art...29 3.1 Data Analysis in Rock Cutting Research...29 3.2 Rock Classification Systems...32 3.2.1 MWC – Measure-While-Cutting...32 3.2.2 MWD – Measuring-While-Drilling...34 3.2.3 Automated Profiling During Cutting...35 3.2.4 Wear Monitoring...36 3.3 Machine learning for Rock Classification...36 4 Problem Statement and Justification of Topic...38 5 Material and Methods...40 5.1 Rock Cutting Equipment...40 5.2 Software & PC...42 5.3 Samples and Rock Cutting Parameters...43 5.3.1 Sample Sites...43 5.3.2 Experiment CO – Zoned Concrete...45 5.3.3 Experiment GN – Anisotropic Rock Gneiss...47 5.3.4 Experiment GR – Uncracked and Cracked Granite...49 5.3.5 Case Study PB and FBA – Lead-Zinc and Fluorite-Barite Ores...50 5.4 Data Processing...53 5.5 Force Component Ratio Calculation...54 5.6 Procedural Selection of Features...57 5.7 Image-Based Referencing and Rock Boundary Modelling...60 5.8 Block Modelling and Gridding...61 5.9 Correlation Analysis...63 5.10 Regression Analysis of Effect...64 5.11 Machine Learning...65 5.11.2 K-Means Algorithm...66 5.11.3 Artificial Neural Networks...67 5.11.4 Distributed Random Forest...70 5.11.5 Classification Success...72 5.11.6 Boundary Layer Recognition Precision...73 5.12 Machine Learning Case Study...74 6 Results...75 6.1 CO – Zoned Concrete...75 6.1.1 Descriptive Statistics...75 6.1.2 Procedural Evaluation...76 6.1.3 Correlation of the Covariates...78 6.1.4 K-Means Cluster Analysis...79 6.2 GN – Foliated Gneiss...85 6.2.1 Cutting Forces...86 6.2.2 Regression Analysis of Effect...88 6.2.3 Details Irregular Behaviour...90 6.2.4 Interpretation of Anisotropic Behaviour...92 6.2.5 Force Component Ratios...92 6.2.6 Summary and Interpretations of Results...93 6.3 CR – Cracked Granite...94 6.3.1 Force Component Results...94 6.3.2 Spatial Analysis...97 6.3.3 Error Analysis...99 6.3.4 Summary...100 6.4 Case Study...100 6.4.1 Feature Distribution in Block Models...101 6.4.2 Distributed Random Forest...105 6.4.3 Artificial Neural Network...107 6.4.4 K-Means...110 6.4.5 Training Data Required...112 7 Discussion...114 7.1 Critical Discussion of Experimental Results...114 7.1.1 Experiment CO...114 7.1.2 Experiment GN...115 7.1.3 Experiment GR...116 7.1.4 Case Study...116 7.1.5 Additional Outcomes...117 7.2 Comparison of Machine Learning Algorithms...118 7.2.1 K-Means...118 7.2.2 Artificial Neural Networks and Distributed Random Forest...119 7.2.3 Summary...120 7.3 Considerations Towards Sensor System...121 7.3.1 Force Vectors and Data Acquisition Rate...121 7.3.2 Sensor Types...122 7.3.3 Computation Speed...123 8 Summary and Outlook...125 References...128 Annex A Fields of Application of Conical Tools...145 Annex B Supplements Cutting and Rock Parameters...149 Annex C Details Topic-Analysis Rock Cutting Publications...155 Annex D Details Patent Analysis...157 Annex E Details Rock Cutting Unit HSX-1000-50...161 Annex F Details Used Pick...162 Annex G Error Analysis Cutting Experiments...163 Annex H Details Photographic Modelling...166 Annex I Laser Offset...168 Annex J Supplements Experiment CO...169 Annex K Supplements Experiment GN...187 Annex L Supplements Experiment GR...191 Annex M Preliminary Artificial Neural Network Training...195 Annex N Supplements Case Study (CD)...201 Annex O R-Codes (CD)...203 Annex P Supplements Rock Mechanical Tests (CD)...204 / Die Dissertation evaluiert Möglichkeiten und Grenzen der Gebirgserkennung bei der schneidenden Gewinnung von Festgesteinen mit Rundschaftmeißeln unter Nutzung maschinellen Lernens – in Verbindung mit aus hochaufgelösten Schnittkraftmessungen abgeleiteten Kennwerten. Es wird auf linearen Schneidversuchen aufbauend gezeigt, dass Schichtgrenzen mit Genauigkeiten unter 3,7 cm identifiziert werden können. Ferner wird gezeigt, dass durch Risse geschwächte Gesteine gut identifiziert werden können und dass anisotropes Gesteinsverhalten möglicherweise problematisch auf den Klassifizierungserfolg wirkt. In einer Fallstudie wird gezeigt, dass die überwachten Algorithmen Künstliches Neurales Netz und Distributed Random Forest teils sehr gute Ergebnisse erzielen und unüberwachtes k-means-Clustering begrenzte Genauigkeiten für komplexe Situationen liefert. Die Ergebnisse werden in einer Web-App visualisiert. Aus den Ergebnissen wird abgeleitet, dass ein mögliches Sensorsystem mit den vorgeschlagenen Auswerteroutinen gute Ergebnisse erzielen kann, die gleichzeitig robust gegen Änderungen der Schneidparameter sind.:1 Introduction...1 2 Cutting Excavation with Conical Picks...5 2.1 Cutting Process...8 2.1.2 Cutting Parameters...11 2.1.3 Influences of Rock Mechanical Properties...17 2.1.4 Influences of the Rock Mass...23 2.2 Ratios of Cutting Force Components...24 3 State of the Art...29 3.1 Data Analysis in Rock Cutting Research...29 3.2 Rock Classification Systems...32 3.2.1 MWC – Measure-While-Cutting...32 3.2.2 MWD – Measuring-While-Drilling...34 3.2.3 Automated Profiling During Cutting...35 3.2.4 Wear Monitoring...36 3.3 Machine learning for Rock Classification...36 4 Problem Statement and Justification of Topic...38 5 Material and Methods...40 5.1 Rock Cutting Equipment...40 5.2 Software & PC...42 5.3 Samples and Rock Cutting Parameters...43 5.3.1 Sample Sites...43 5.3.2 Experiment CO – Zoned Concrete...45 5.3.3 Experiment GN – Anisotropic Rock Gneiss...47 5.3.4 Experiment GR – Uncracked and Cracked Granite...49 5.3.5 Case Study PB and FBA – Lead-Zinc and Fluorite-Barite Ores...50 5.4 Data Processing...53 5.5 Force Component Ratio Calculation...54 5.6 Procedural Selection of Features...57 5.7 Image-Based Referencing and Rock Boundary Modelling...60 5.8 Block Modelling and Gridding...61 5.9 Correlation Analysis...63 5.10 Regression Analysis of Effect...64 5.11 Machine Learning...65 5.11.2 K-Means Algorithm...66 5.11.3 Artificial Neural Networks...67 5.11.4 Distributed Random Forest...70 5.11.5 Classification Success...72 5.11.6 Boundary Layer Recognition Precision...73 5.12 Machine Learning Case Study...74 6 Results...75 6.1 CO – Zoned Concrete...75 6.1.1 Descriptive Statistics...75 6.1.2 Procedural Evaluation...76 6.1.3 Correlation of the Covariates...78 6.1.4 K-Means Cluster Analysis...79 6.2 GN – Foliated Gneiss...85 6.2.1 Cutting Forces...86 6.2.2 Regression Analysis of Effect...88 6.2.3 Details Irregular Behaviour...90 6.2.4 Interpretation of Anisotropic Behaviour...92 6.2.5 Force Component Ratios...92 6.2.6 Summary and Interpretations of Results...93 6.3 CR – Cracked Granite...94 6.3.1 Force Component Results...94 6.3.2 Spatial Analysis...97 6.3.3 Error Analysis...99 6.3.4 Summary...100 6.4 Case Study...100 6.4.1 Feature Distribution in Block Models...101 6.4.2 Distributed Random Forest...105 6.4.3 Artificial Neural Network...107 6.4.4 K-Means...110 6.4.5 Training Data Required...112 7 Discussion...114 7.1 Critical Discussion of Experimental Results...114 7.1.1 Experiment CO...114 7.1.2 Experiment GN...115 7.1.3 Experiment GR...116 7.1.4 Case Study...116 7.1.5 Additional Outcomes...117 7.2 Comparison of Machine Learning Algorithms...118 7.2.1 K-Means...118 7.2.2 Artificial Neural Networks and Distributed Random Forest...119 7.2.3 Summary...120 7.3 Considerations Towards Sensor System...121 7.3.1 Force Vectors and Data Acquisition Rate...121 7.3.2 Sensor Types...122 7.3.3 Computation Speed...123 8 Summary and Outlook...125 References...128 Annex A Fields of Application of Conical Tools...145 Annex B Supplements Cutting and Rock Parameters...149 Annex C Details Topic-Analysis Rock Cutting Publications...155 Annex D Details Patent Analysis...157 Annex E Details Rock Cutting Unit HSX-1000-50...161 Annex F Details Used Pick...162 Annex G Error Analysis Cutting Experiments...163 Annex H Details Photographic Modelling...166 Annex I Laser Offset...168 Annex J Supplements Experiment CO...169 Annex K Supplements Experiment GN...187 Annex L Supplements Experiment GR...191 Annex M Preliminary Artificial Neural Network Training...195 Annex N Supplements Case Study (CD)...201 Annex O R-Codes (CD)...203 Annex P Supplements Rock Mechanical Tests (CD)...204

Die Sicherheit von Straßen-, Schienenfahrzeugen sowie von Flugzeugen erfordert hochbelastbare Bauteile aus Stahl, Eisen, Aluminium und Magnesium. Während des Herstellungsprozesses können Verunreinigungen in der Metallschmelze auftreten, die zu Defekten in Form von Einschlüssen führen. Die Reduzierung oder Entfernung dieser Einschlüsse ist schwierig oder manchmal sogar unmöglich. Der Sonderforschungsbereich 920 „Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration – ein Beitrag zu Zero Defect Materials“ konzentrierte sich auf die Erforschung einer neuen Generation von Metallqualitäten – auch beim Recycling – durch Schmelzefiltration mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für höchstbeanspruchbare Komponenten in Sicherheits- und Leichtbaukonstruktionen. Der SFB 920 wurde von 2011 bis 2023 an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (Projektnummer 169148856 – SFB 920) und nach 12 Jahren intensiver Forschungsarbeit erfolgreich beendet. Der Abschlussbericht des SFB 920 fasst die wichtigsten Publikationen und ausgewählte Ergebnisse zusammen.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31 / The safety of road and railway vehicles as well as aircrafts requires highly stressable components made of steel, iron, aluminum and magnesium. During the production process, contaminations can occur in the metal melt, which lead to defects in the form of inclusions. Reducing or removing these inclusions is difficult or sometimes impossible. The Collaborative Research Center 920 “Multi-functional filters for metal melt filtration – a contribution towards zero defect materials” focussed on research into a new generation of metal qualities - also during recycling - via melt filtration with superior mechanical properties for use in high-demand construction materials and light-weight structures. The CRC 920 was funded by the German Research Foundation (DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft) from 2011 to 2023 at the Technische Universität Bergakademie Freiberg (Project-ID 169148856 – SFB 920) and was successfully completed after 12 years of intensive research work. The final report of the CRC 920 presents the most important publications and selected results.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31

Polypropylene (PP) is a common thermoplastic and frequently adapted permanently with increasing requirements by adding fillers as well as reinforcing materials. Because of incompatibility of non-polar PP and polar inorganic filler, resulting composites are brittle which has a detrimental effect on the desired properties. Improvements in mechanical properties can be reached by compatibilization, creating of chemical couplings between phases and by increasing of inhomogeneity. Thus, maleic anhydride grafted PP is used as well as reactive processing of PP in presence of peroxide radical initiators. The temperature dependence of peroxide decay as well as the dependence of radical generation rate on time are two disadvantages of peroxide induced reactive processing. Modification of polymers with high energy electron treatment is also well known and used to form parts (after) molding as well as raw materials (pellets, powders, fibers) in solid state and at room temperature. The spatially and temporally precise input of energy is used to produce desired material properties on radical-induced chemical reactions. Coupling of high energy electron modification of polymers and melt mixing offers a new possibility of reactive processing. In this case, radical generation is independent of temperature, can be easily controlled by beam current and kept constant over time. Absence of any crystallinity, high reaction rates as well as intensive macromolecular mobility and intensive mixing are reasons to expect novel structures and properties. Electron beam induced reactive processing is a novel technique where chemical reactions are induced by spatial and temporal precise energy input via high energy electrons under dynamic conditions of melt mixing. This method gives the possibility to increase surface energy of polypropylene (PP) effectively as well as to generate chemical couplings between filler and PP. The process was applied to a proved system consisting of PP (38 wt%), magnesium hydroxide (MH) (60 wt%), triallyl cyanurate (TAC) (2 wt%). This composite system was successful tested in peroxide induced conventional reactive processing. Absorbed dose imparted per rotation of rotors is a new parameter controlling mechanical properties of polymer composites. Improved properties were found in tensile strength (150 %), elongation at break (175 %), and impact strength (175 %). It can be shown that chemical couplings are generated during electron induced reactive processing in comparison to only compatibilized material.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gefügebildung dünnwandig erstarrter Eisenlegierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im experimentellen Teil wurden Stahlgusslegierungen unter Variation ihrer Zusammensetzung erschmolzen und in Quarzsandformen vergossen. Das erhaltene Probenmaterial wurde im Gusszustand sowie nach optional angewendeten Wärmebehandlungen untersucht. Die Abhängigkeiten zwischen chemischer Zusammensetzung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wurden quantitativ dargelegt. Der Modellierungsteil enthält die Ergebnisse der Simulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses eines ausgewählten Stahlgusswerkstoffs. Zur Durchführung der Simulation kamen kommerziell verfügbare Softwarepakete zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit experimentell ermittelten Daten verglichen und die Adäquatheit der Simulation beurteilt. Die Anwendbarkeit der genutzten Simulationsmethoden auf den Bereich dünnwandiger Stahlgussteile wurde aufgezeigt.

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

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht. Die Ergebnisse weisen nach, dass eine thermisch-oxidative Kunststoffschädigung zu einer Verschlechterung der mechanischen Schweißnahteigenschaften führt und bei der Auslegung industrieller Prozesse in Betracht gezogen werden muss. Das Schweißen in Argonatmosphäre und mit aktiver Strahlerleistungsregelung verhindern die Kunststoffzersetzung und führen in der Regel zu besseren mechanischen Schweißnahteigenschaften. Weiterhin wird deutlich, dass die Fügeteiltemperatur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften hat, wohingegen Umstellzeiten ≥ 5 s eine erhebliche Reduzierung ebendieser zur Folge haben. Eine weitere Herausforderung ist das Infrarotschweißen (endlos-)faserverstärkter Kunststoffe. Die derzeit übliche Stumpfanordnung der Fügeteile führt zu einer Faserumlenkung in der Fügenaht und hat zur Folge, dass die Faserverstärkung nicht über die Fügeebene hinweg genutzt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird aufgrund dessen das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen untersucht. Um Bauteile aus Organoblechen mit erhöhter Komplexität, Größe und Steifigkeit herstellen zu können, werden zudem zwei industriell nutzbare Verfahrensvarianten auf Basis des Infrarotschweißens entwickelt. Unter Nutzung dieser, können Organoblechhohlkörper mit Überlappverbindungen gefertigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in Plattenprobekörpern als auch in Hohlkörpern eine Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg möglich ist.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / The infrared welding is a well-established process in the industrial production of parts in various applications. However, the complex emitter-material interaction, which influences the meltdown behaviour of the plastic parts, results in a high effort for the process setup. A smoking of the plastic parts is to observe in numerous industrial infrared welding processes. The correlations between the smoking of the plastic, its temperature and thermal-oxidative degradation as well as the mechanical properties of the resulting welds are unidentified yet. Furthermore, in industrial infrared welding processes often high changeover times and varying joining part temperatures are existent. Therefore, within the present work the connections between the mechanical joint properties of infrared welds and the thermal-oxidative degradation of plastics are elaborated for the first time and two approaches for the gentle infrared heating are investigated. The findings prove that the thermal-oxidative degradation of the plastic substantially decreases the mechanical weld properties and needs to be taken into account when setting up the industrial infrared welding process. The welding in argon atmosphere and the use of an active infrared emitter power control, which ensures the heating of the plastic below the degradation temperature, lead to better mechanical weld properties. In addition, the outcome of this work shows that the influence of the temperature of the joining part is negligible regarding the mechanical joint properties, whereas changeover times greater than or equal to 5 s lead to a dramatical decrease in the mechanical properties. Another challenge is the infrared welding of fibre reinforced plastics. The butt welding of fibre reinforced thermoplastics is common practice and prevents the use of fibres in the joint plane due to the fibre deflection in this area. As a result, the overlapping welding of organo sheets is investigated as well. In order to produce large and complex parts with high stiffness made of organo sheets, two process variants on the basis of the infrared welding technology are developed, which can be used at the industrial scale to manufacture hollow bodies. The overlapping welds of specimens and in hollow bodes made of organo sheets, enable the fibre utilisation across the joint plane.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick

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

Bauteilkonstruktionen mit integrierten Kunststoffnietverbindungen nehmen aufgrund der steigenden Anzahl artfremder Werkstoffkombinationen im Rahmen von Hybridbauweisen kontinuierlich zu. Als nicht lösbare und punktuell wirkende Verbindung wird das Kunststoffnieten insbesondere aufgrund seiner kosteneffizienten und einfach anmutenden Prozessführung u. a. für die Herstellung von Elektronik- und Sensorelementen sowie für das Verbinden von Bauteilen im Interieur- bzw. Exterieur-Bereich eingesetzt. Aufgrund der hohen Anwendungs- und Werkstoffvielfalt unterliegt der Kunststoffnietprozess jedoch komplexen Anforderungen, die für eine sichere Prozessanwendung durch ein hinreichendes Prozessverständnis sowie eine zielführende Qualitätssicherung kompensiert werden müssen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der wissenschaftlichen Analyse der thermischen Nietprozesse Warmumformen und Heißluftnieten. Im Mittelpunkt der Betrachtungen steht die systematische Ausarbeitung der Zusammenhänge zwischen dem Verfahrensablauf, den mechanischen Eigenschaften sowie dem resultierenden Versagensverhalten der Nietverbindung. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer optimierten Prozessführung für beide thermischen Nietverfahren hohe mechanische Eigenschaften erreicht werden können. Als dominierender Faktor offenbarte sich die Anbindungsqualität des Nietkopfes an den Nietzapfen, welche in einem direkten Zusammenhang zum Erwärmungs- und Umformverhalten des Nietzapfens steht. Zudem sind die Verarbeitungseigenschaften und die erreichbare Verbindungsqualität vom eingesetzten Werkstoff abhängig. / Due to the rising number of dissimilar material combinations in the field of hybrid design, components with integrated plastic rivet joints are steadily increasing. Among other things, staking is primary used as a non-detachable and point-acting joint for the production of electronic and sensor elements as well as for the joining of components in the automotive interior and exterior by reason of its cost-efficient and seemingly simple process control. However, due to the high diversity of applications and materials, the staking process is subject to complex requirements, which must be compensated by a sufficient understanding of the process as well as a perfected quality assurance in order to ensure reliable process application. The present dissertation deals with the scientific analysis of the thermal staking processes hot forming staking and hot air staking. The investigations focus on the systematic analysis of the relationships between the procedure itself, the mechanical properties and the resulting failure behavior of the riveted joint. The results show that high mechanical properties can be achieved for both thermal staking processes by having an optimized process control. The most dominant factor revealed to be the bond quality of the rivet head to the rivet pin, which is directly related to the heating and forming behavior of the rivet pin. In addition, the processing properties and the achievable joint quality depend on the material which is used.