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.

In den letzten Jahren gewinnt der Leichtbau im Bauwesen im Zuge der Ressourceneinsparung wieder stärker an Bedeutung, denn ohne eine deutliche Steigerung der Effizienz ist zukunfts-fähiges Bauen und Wohnen nur schwer zu bewerkstelligen. Optimiertes Bauen, im Sinne der Errichtung und Unterhaltung von Bauwerken mit geringem Einsatz an Material, Energie und Fläche über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes hinweg, bedarf des Leichtbaus in punkto Material, Struktur und Technologie. In der vorliegenden Arbeit wird ein wissenschaftlicher Überblick zum aktuellen Stand der eigenen Forschungen in Bezug auf funktionsintegrativen Leichtbau im Bauwesen gegeben sowie erweiterte Methoden und Ansätze abgeleitet, die eine Konzeption, Bemessung und Erprobung von neuartigen Hochleistungs-Tragstrukturen in Leichtbauweise gestatten. Dabei steht die Entwicklung leistungs-starker und zugleich multifunktionaler Werkstoffkombinatio-nen und belastungsgerecht dimensionierter Strukturkomponenten unter dem Aspekt der Gewichtsminimalität in Material und Konstruktion im Fokus. Ein breit gefächertes Eigen-schaftsprofil für \"maßgeschneiderte\" Leichtbauanwendungen besitzen textilverstärkte Ver-bundbauteile, denn sowohl die Fadenarchitektur als auch die Matrix können in weiten Berei-chen variiert und an die im Bauwesen vorliegenden komplexen Anforderungen angepasst werden. In der vorliegenden Arbeit werden hierzu vor allem Methoden und Lösungen anhand von Beispielen zu: multifunktionalen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), funktionsintegrier-ten faserverstärkten mineralischen Tragelemente und Verbundstrukturen in textilbewehrter Beton-GFK-Hybridbauweise betrachtet. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Schaffung von materialtechnischen, konstruktiven und technologischen Grundlagen entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Leichtbauidee über Demonstrator und Referenzobjekt bis hin zur technologischen Umsetzung zur Überführung der Forschungsergebnisse in die Praxis. / In the last few years, lightweight construction in the building sector has gained more and more importance in the course of resource saving. Without a significant increase in efficiency, future-oriented construction and resource-conserving living is difficult to achieve. Optimized building, in the sense of the erection and maintenance of buildings with little use of material, energy and surface over the entire life time cycle of a building, requires lightweight design in terms of material, structure and technology. In this thesis, a scientific overview of the current state of research on function-integrative light-weight construction in architecture is presented. Furthermore, advanced methods and research approaches were developed and applied, that allows the design, dimensioning and testing of novel high-performance supporting structures in lightweight design. The focus is on the development of high-performance, multi-functional material combinations and load-adapted structural elements, under the aspect of weight minimization in material and construction. Textile-reinforced composites have a broad range of material properties for optimized \"tailor-made\" lightweight design applications, since the thread architecture as well as the matrix can be varied within wide ranges and can adapted to the complex requirements in the building industry. Within the scope of this thesis, methods and solutions are examined in the field of: multifunc-tional fiber-reinforced plastics (FRP), function-integrated fiber-reinforced composites with mineral matrix (TRC) and textile-reinforced hybrid composites (BetoTexG: combination of TRC and FRP). In this connection the creation of material, structural and technological foundations along the entire value chain is of central importance: From the lightweight design idea to the demonstrator and reference object, to the technological implementation for the transfer of the research results into practice.

In der vorliegenden Arbeit wird die Frage untersucht, ob effektive Eigenschaften von Verbunden auch nach dem Auftreten einer Dehnungslokalisierung aufgrund von entfestigendem Materialverhalten noch durch numerische Homogenisierungsmethoden berechnet werden können. Ihr Nutzen für diesen Anwendungsfall wird in der Literatur kritisch beurteilt. Aus diesem Grund werden hier systematisch alle Teilaufgaben betrachtet, die zu diesem Zweck gelöst werden müssen. Die erste dieser Aufgaben ist die Charakterisierung der einzelnen Verbundbestandteile. Zur Demonstration einer experimentell gestützten Charakterisierung wird ein glasfaserverstärktes Epoxidharz als Beispielmaterial gewählt. Neben der Beschreibung von Faser- und Matrixmaterial wird besonderes Augenmerk auf die Charakterisierung der Grenzschicht zwischen beiden gelegt. Die für die Glasfasern vorliegenden Festigkeitsmessungen entsprechen nicht der Kettenhypothese. Daher werden zahlreiche Verallgemeinerungen der Weibull-Verteilung untersucht, um störende Effekte zu erfassen. Schließlich werden Wahrscheinlichkeitsverteilungen hergeleitet, die Faserbrüche im Bereich der Einspannung einbeziehen. Die Messwerte können von diesen Verteilungen gut wiedergegeben werden. Zusätzlich macht ihre Anwendung das aufwändige Aussortieren und Wiederholen jener Experimente unnötig, bei denen der Faserbruch im Klemmbereich auftritt. Zur Modellierung der Grenzfläche wird ein Kohäsivzonengesetz entwickelt. Die Bestimmung seiner Parameter erfolgt anhand von Daten aus Pullout- und Einzelfaserfragmentierungsversuchen. Aus diesen ermittelte Festigkeiten und Energiefreisetzungsraten weisen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen beiden Versuchen auf. Dabei erfolgt die Parameteridentifikation mithilfe von Finite-Elemente-Modellen anstatt der häufig genutzten vereinfachten analytischen Modelle, welche üblicherweise eine schlechtere Übereinstimmung erreichen. Sobald eine Dehnungslokalisierung auftritt, ist neben der Materialmodellierung auch das Homogenisierungsschema zu verallgemeinern. Zu diesem gehören die Generierung repräsentativer Volumenelemente, Randbedingungen (RB) und ein Mittelungsoperator. Anhand des aktuellen Standes der Literatur werden die Randbedingungen als ein signifikanter Schwachpunkt von Homogenisierungsverfahren erkannt. Daher erfolgt die Untersuchung periodischer RB, linearer Verschiebungsrandbedingungen und minimal kinematischer RB sowie zweier adaptiver RB, nämlich Lokalisierungspfad-ausgerichteter RB und generalisiert periodischer RB. Unter der Bezeichnung Tesselationsrandbedingungen wird ein weiterer Typ adaptiver RB vorgeschlagen. Zunächst erfolgt der Beweis, dass alle drei adaptiven RB die Hill-Mandel-Bedingung erfüllen. Des Weiteren wird mittels einer Modifikation der Hough-Transformation ein systematischer Fehler derselben bei der Bestimmung der Richtung von Lokalisierungszonen eliminiert. Schließlich werden die Eigenschaften aller Randbedingungen an verschiedenen Beispielen demonstriert. Dabei zeigt sich, dass nur Tesselationsrandbedingungen sowohl beliebige Richtungen von Lokalisierungszonen erlauben als auch fehlerhafte Lokalisierungen in Eckbereichen ausschließen. Zusammengefasst können in der Literatur geäußerte grundlegende Einschränkungen hinsichtlich der Anwendbarkeit numerischer Homogenisierungsverfahren beim Auftreten von Dehnungslokalisierungen aufgehoben werden. Homogenisierungsmethoden sind somit auch für entfestigendes Materialverhalten anwendbar. / The thesis at hand is concerned with the question if numerical homogenization schemes can be of use in deriving effective material properties of composite materials after the onset of strain localization due to strain softening. In this case, the usefulness of computational homogenization methods has been questioned in the literature. Hence, all the subtasks to be solved in order to provide a successful homogenization scheme are investigated herein. The first of those tasks is the characterization of the constituents, which form the composite. To allow for an experimentally based characterization an exemplary composite has to be chosen, which herein is a glass fiber reinforced epoxy. Hence the constituents to be characterized are the epoxy and the glass fibers. Furthermore, special attention is paid to the characterization of the interface between both materials. In case of the glass fibers, the measured strength values do not comply with the weakest link hypothesis. Numerous generalizations of the Weibull distribution are investigated, to account for interfering effects. Finally, distributions are derived, that incorporate the possibility of failure inside the clamped fiber length. Application of such a distribution may represent the measured data quite well. Additionally, it renders the cumbersome process of sorting out and repeating those tests unnecessary, where the fiber fails inside the clamps. Identifying the interface parameters of the proposed cohesive zone model relies on data from pullout and single fiber fragmentation tests. The agreement of both experiments in terms of interface strength and energy release rate is very good, where the parameters are identified by means of an evaluation based on finite element models. Also, the agreement achieved is much better than the one typically reached by an evaluation based on simplified analytical models. Beside the derivation of parameterized material models as an input, the homogenization scheme itself needs to be generalized after the onset of strain localization. In an assessment of the current state of the literature, prior to the generation of representative volume elements and the averaging operator, the boundary conditions (BC) are identified as a significant issue of such a homogenization scheme. Hence, periodic BC, linear displacement BC and minimal kinematic BC as well as two adaptive BC, namely percolation path aligned BC and generalized periodic BC are investigated. Furthermore, a third type of adaptive BC is proposed, which is called tesselation BC. Firstly, the three adaptive BC are proven to fulfill the Hill-Mandel condition. Secondly, by modifying the Hough transformation an unbiased criterion to determine the direction of the localization zone is given, which is necessary for adaptive BC. Thirdly, the properties of all the BC are demonstrated in several examples. These show that tesselation BC are the only type, that allows for arbitrary directions of localization zones, yet is totally unsusceptible to spurious localization zones in corners of representative volume elements. Altogether, fundamental objections, that have been raised in the literature against the application of homogenization in situations with strain localization, are rebutted in this thesis. Hence, the basic feasibility of homogenization schemes even in case of strain softening material behavior is shown.

Das Verständnis über die Ausbildung der Grenzfläche eines hybriden Bauteils aus thermoplastischem Kunststoff und Metall sowie die maßgeblichen Faktoren zum Erreichen einer hohen Verbundhaftung und Mediendichtheit in der Grenzfläche stellen nach wie vor eine große Herausforderung dar. Am Beispiel einer spritzgegossenen Kunststoff-Metall-Verbundprobe werden diese Zusammenhänge untersucht und bewertet. Es wird eine Methode zur Herstellung stoffschlüssig gefügter Verbunde mit hoher Mediendichtheit auf Basis einer hohen Kontakttemperatur beim Fügen entwickelt, indem Verbundspritzgießen und nachträgliches thermisches Fügen durch Induktionsheizen kombiniert werden. Eine stoffschlüssige Verbindung mit hoher Mediendichtheit zwischen thermoplastischem Kunststoff und Metall erfordert eine Haftung in der Grenzfläche der Verbundpartner auf Basis intermolekularer Wechselwirkungen. Die Quantifizierung der Mediendichtheit in der Grenzfläche erfolgt über eine eigens entwickelte Messmethode. Die entwickelte Vorgehensweise ermöglichet die Differenzierung zwischen intermolekularen Wechselwirkungen und mechanischen Verklammerungen als Ursache für eine Haftungsausbildung und deren Einfluss auf die Grenzflächeneigenschaften. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis der Grenzflächenausbildung, insbesondere zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit des metallischen Verbundpartners sowie der Fügeprozessbedingungen zur Fertigung von Kunststoff-Metall-Verbunden mit hoher Mediendichtheit, bei.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Forschung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 4 Experimentelles 5 Analytik 6 Ergebnisse 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / Understanding the formation of the interface of a hybrid component made of thermoplastic and metal as well as the decisive factors for achieving high adhe-sion and media tightness in the interface still represent a major challenge. These relationships are investigated and elucidated using the example of an injection-molded plastic-metal part. A method for the production of firmly bonded hybrid parts with high media tightness based on a high contact temperature during joining of the hybrid part is developed by combining injection molding and subsequent thermal joining by induction heating. A firm bond with high media tightness between a thermoplastic and a metal requires an adhesion in the inter-face of the joint materials based on molecular interactions. The quantification of the media tightness in the interface is done by using a specially developed measurement method. The investigations enable the differentiation between molecular interactions and mechanical interlocking as the cause of adhesion formation and their influence on the properties of the interface. The gained knowledge contributes to the understanding of interface formation and its prop-erties, in particular the influence of the surface properties of the metallic bond partner and the joining process conditions for the production of plastic-metal parts with high media tightness.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Forschung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 4 Experimentelles 5 Analytik 6 Ergebnisse 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick

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.

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.:1 Einleitung 13 1.1 Motivation 13 1.2 Zielsetzung 18 1.3 Abgrenzung 20 1.4 Vorgehensweise 21 2 Die Holz-Glas-Verbundbauweise 25 2.1 Tragprinzip und Wirkungsweise 25 2.2 Forschungsschwerpunkte und Anwendungen 27 2.2.1 Geklebte Verglasungssysteme für Fenster 27 2.2.2 Träger 28 2.2.3 Wandscheiben und Schubfelder 32 2.2.4 Verbundplatten 36 2.3 Tragendes Glas im Verbund 37 2.3.1 Relevanz für Holz-Glas-Verbundlösungen 37 2.3.2 Historische Vorbilder 37 2.3.3 Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas 38 2.3.4 Verbundträger 40 2.3.5 Wandscheiben aus Glas 43 2.4 Konstruktionsprinzipien von tragenden Wand und Fassadenelementen aus Holz und Glas 46 2.4.1 Aufbau 46 2.4.2 Verglasung 46 2.4.3 Ausbildung der Klebfuge 48 2.4.4 Marktreife Systeme mit Koppelleiste 49 2.4.5 Identifizieren geeigneter Tragsysteme 52 2.4.6 Skelett-, Tafel- und Massivholzbauweise 53 2.5 Zusammenfassung wesentlicher Erkenntnisse 55 3 Klebverbindungen im Glasbau 57 3.1 Fügen von Glas 57 3.1.1 Besondere Merkmale des Fügewerkstoffs 57 3.1.2 Wirkprinzip und Fügeverfahren 60 3.1.3 Vor- und Nachteile von Klebverbindungen 61 3.1.4 Glasoberfläche 65 3.2 Typische Anwendungsbeispiele im Glasbau 67 3.2.1 Klassifizierung 67 3.2.2 Einordung der Holz-Glas-Verbundbauweise 69 3.2.3 Structural Sealant Glazing 71 3.2.4 Ganzglaskonstruktionen 74 3.3 Planungsstrategien 76 3.3.1 Sicheres Bauteilversagen 76 3.3.2 Redundanz und Versagensszenarien 78 3.3.3 Besonderheiten bei geklebten Verglasungen 80 3.4 Baurechtliche Rahmenbedingungen 82 3.4.1 Normung und Verfahrensweise in Deutschland 82 3.4.2 Harmonisierung auf europäischer Ebene 84 3.4.3 ETAG 002 – Leitlinie für Structural Glazing 86 3.4.4 Der Weg zur geklebten Glaskonstruktion 88 4 Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf aussteifende Holz-Glas-Verbundtragwerke 91 4.1 Aussteifung von Holzbauten 91 4.2 Berechnungsverfahren 92 4.2.1 Begründung der Auswahl der Verfahren 92 4.2.2 Verteilung von Horizontallasten auf die Wandscheiben eines Aussteifungssystems 93 4.2.3 Wandscheibe als Schubfeld 95 4.2.4 Federmodelle 97 4.3 Randbedingungen für die Analyse 101 4.3.1 Modellgebäude 101 4.3.2 Konstruktive Gestaltung 103 4.3.3 Lastannahmen 104 4.4 Parameterstudie 107 4.4.1 Nachgiebigkeit der Kernwände 107 4.4.2 Nachgiebigkeit eines Verbundelements 108 4.4.3 Auswirkung der Elementanordnung 112 4.4.4 Lastumlagerung bei Ausfall von Elementen 114 4.4.5 Horizontallastanteil auf Fassade und Kern 116 4.5 Rückschlüsse auf die Tragsystemgestaltung und die Klebstoffauswahl 120 5 Materialauswahl und -charakterisierung 123 5.1 Untersuchungsprogramm 123 5.2 Materialeigenschaften der Fügeteile 124 5.2.1 Glas 124 5.2.2 Holz und Holzwerkstoffe 126 5.3 Klebstoffe 128 5.3.1 Auswahlkriterien für Holz-Glas-Klebungen 128 5.3.2 Vorauswahl der Klebstoffsysteme 130 5.4 Experimentelle Methoden zur Charakterisierung der Klebstoffe 134 5.4.1 Dynamisch-mechanische Analyse 134 5.4.2 Einaxialer Zugversuch 135 5.4.3 Scherversuch 138 5.5 Versuchsergebnisse 141 5.5.1 Glasübergangstemperatur 141 5.5.2 Spannungs-Dehnungs-Beziehung 145 5.5.3 Einpunktkennwerte 150 5.5.4 Scherfestigkeit und Bruchbildanalyse 151 5.6 Klebstoffauswahl für die Hauptuntersuchungen 155 6 Experimentelle Untersuchungen an Klebverbindungen im Labormaßstab 157 6.1 Methodik 157 6.1.1 Untersuchungsgegenstand 157 6.1.2 Beurteilungsgrundlagen 158 6.1.3 Untersuchungsprogramm 159 6.1.4 Auswertungsmethoden 162 6.2 Geometrie und Herstellung der Prüfkörper 164 6.2.1 Prüfkörper zum Bestimmen der Haftfestigkeit vor und nach künstlicher Alterung 164 6.2.2 Scherprüfkörper für Kriechversuche 165 6.2.3 Vorbereiten und Konditionieren der Proben 166 6.3 Verfahren zur mechanischen Prüfung und zur künstlichen Alterung 168 6.3.1 Zug- und Scherversuche 168 6.3.2 Lagerung unter UV-Bestrahlung 170 6.3.3 Lagerung in Reinigungsmittellösung 171 6.3.4 Holzfeuchtewechsel bei +20 °C 172 6.3.5 Lagerung in schwefeldioxidhaltiger Atmosphäre 173 6.3.6 Kriechversuche 174 6.4 Auswertung der Versuchsergebnisse 176 6.4.1 Anfangsfestigkeit im Scherversuch 176 6.4.2 Anfangsfestigkeit im Zugversuch 181 6.4.3 Sichtbare Veränderungen der Klebschicht 183 6.4.4 Restfestigkeit nach Alterung 185 6.4.5 Analyse der Versagensmuster 189 6.4.6 Kriechverhalten 192 6.4.7 Restfestigkeit nach Vorbelastung 198 7 Experimentelle Untersuchungen an bauteilähnlichen Prüfkörpern 201 7.1 Untersuchungsprogramm und Methodik 201 7.1.1 Ziel der Untersuchungen 201 7.1.2 Materialien 202 7.1.3 Großer Scherprüfkörper 203 7.1.4 Herstellung der Prüfkörper 205 7.1.5 Versuchsprogramm – Bauteilversuche 207 7.2 Entwicklung eines Kriechprüfstands 210 7.2.1 Prüfrahmen 210 7.2.2 Lasteinleitung 211 7.2.3 Belastungsvorgang 212 7.2.4 Messtechnik und Monitoring 213 7.2.5 Modifikation für Kurzzeitversuche 214 7.3 Große Scherversuche unter Kurz- und Langzeiteinwirkung 215 7.3.1 Tragfähigkeit bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 215 7.3.2 Spannungsverteilung im Glas 219 7.3.3 Kriechversuche mit 1000 Stunden Laufzeit 221 7.3.4 Verlängerte Kriechversuche am Klebstoff mit mittlerer Steifigkeit 226 7.3.5 Tragfähigkeit nach Vorbelastung 230 8 Bewertung und Handlungsempfehlung 231 8.1 Alterungsverhalten 231 8.2 Korrelation der Ergebnisse aus Fügeteil- und 233 Bauteilversuchen 8.2.1 Versuche bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 233 8.2.2 Versuche bei langandauernder Lasteinwirkung 235 8.3 Der Vorzugsklebstoff und seine Einsatzgrenzen 238 8.4 Konstruktion 241 9 Zusammenfassung und Ausblick 243 9.1 Zusammenfassung 243 9.2 Ausblick 249 10 Literatur 253 11 Abbildungsverzeichnis 263 12 Tabellenverzeichnis 267 13 Bezeichnungen 268 Anhang A Materialkennwerte zur Klebstoffauswahl 271 B Klebverbindungen im Labormaßstab 287 C Bauteilähnliche Prüfkörper 373 / 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.:1 Einleitung 13 1.1 Motivation 13 1.2 Zielsetzung 18 1.3 Abgrenzung 20 1.4 Vorgehensweise 21 2 Die Holz-Glas-Verbundbauweise 25 2.1 Tragprinzip und Wirkungsweise 25 2.2 Forschungsschwerpunkte und Anwendungen 27 2.2.1 Geklebte Verglasungssysteme für Fenster 27 2.2.2 Träger 28 2.2.3 Wandscheiben und Schubfelder 32 2.2.4 Verbundplatten 36 2.3 Tragendes Glas im Verbund 37 2.3.1 Relevanz für Holz-Glas-Verbundlösungen 37 2.3.2 Historische Vorbilder 37 2.3.3 Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas 38 2.3.4 Verbundträger 40 2.3.5 Wandscheiben aus Glas 43 2.4 Konstruktionsprinzipien von tragenden Wand und Fassadenelementen aus Holz und Glas 46 2.4.1 Aufbau 46 2.4.2 Verglasung 46 2.4.3 Ausbildung der Klebfuge 48 2.4.4 Marktreife Systeme mit Koppelleiste 49 2.4.5 Identifizieren geeigneter Tragsysteme 52 2.4.6 Skelett-, Tafel- und Massivholzbauweise 53 2.5 Zusammenfassung wesentlicher Erkenntnisse 55 3 Klebverbindungen im Glasbau 57 3.1 Fügen von Glas 57 3.1.1 Besondere Merkmale des Fügewerkstoffs 57 3.1.2 Wirkprinzip und Fügeverfahren 60 3.1.3 Vor- und Nachteile von Klebverbindungen 61 3.1.4 Glasoberfläche 65 3.2 Typische Anwendungsbeispiele im Glasbau 67 3.2.1 Klassifizierung 67 3.2.2 Einordung der Holz-Glas-Verbundbauweise 69 3.2.3 Structural Sealant Glazing 71 3.2.4 Ganzglaskonstruktionen 74 3.3 Planungsstrategien 76 3.3.1 Sicheres Bauteilversagen 76 3.3.2 Redundanz und Versagensszenarien 78 3.3.3 Besonderheiten bei geklebten Verglasungen 80 3.4 Baurechtliche Rahmenbedingungen 82 3.4.1 Normung und Verfahrensweise in Deutschland 82 3.4.2 Harmonisierung auf europäischer Ebene 84 3.4.3 ETAG 002 – Leitlinie für Structural Glazing 86 3.4.4 Der Weg zur geklebten Glaskonstruktion 88 4 Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf aussteifende Holz-Glas-Verbundtragwerke 91 4.1 Aussteifung von Holzbauten 91 4.2 Berechnungsverfahren 92 4.2.1 Begründung der Auswahl der Verfahren 92 4.2.2 Verteilung von Horizontallasten auf die Wandscheiben eines Aussteifungssystems 93 4.2.3 Wandscheibe als Schubfeld 95 4.2.4 Federmodelle 97 4.3 Randbedingungen für die Analyse 101 4.3.1 Modellgebäude 101 4.3.2 Konstruktive Gestaltung 103 4.3.3 Lastannahmen 104 4.4 Parameterstudie 107 4.4.1 Nachgiebigkeit der Kernwände 107 4.4.2 Nachgiebigkeit eines Verbundelements 108 4.4.3 Auswirkung der Elementanordnung 112 4.4.4 Lastumlagerung bei Ausfall von Elementen 114 4.4.5 Horizontallastanteil auf Fassade und Kern 116 4.5 Rückschlüsse auf die Tragsystemgestaltung und die Klebstoffauswahl 120 5 Materialauswahl und -charakterisierung 123 5.1 Untersuchungsprogramm 123 5.2 Materialeigenschaften der Fügeteile 124 5.2.1 Glas 124 5.2.2 Holz und Holzwerkstoffe 126 5.3 Klebstoffe 128 5.3.1 Auswahlkriterien für Holz-Glas-Klebungen 128 5.3.2 Vorauswahl der Klebstoffsysteme 130 5.4 Experimentelle Methoden zur Charakterisierung der Klebstoffe 134 5.4.1 Dynamisch-mechanische Analyse 134 5.4.2 Einaxialer Zugversuch 135 5.4.3 Scherversuch 138 5.5 Versuchsergebnisse 141 5.5.1 Glasübergangstemperatur 141 5.5.2 Spannungs-Dehnungs-Beziehung 145 5.5.3 Einpunktkennwerte 150 5.5.4 Scherfestigkeit und Bruchbildanalyse 151 5.6 Klebstoffauswahl für die Hauptuntersuchungen 155 6 Experimentelle Untersuchungen an Klebverbindungen im Labormaßstab 157 6.1 Methodik 157 6.1.1 Untersuchungsgegenstand 157 6.1.2 Beurteilungsgrundlagen 158 6.1.3 Untersuchungsprogramm 159 6.1.4 Auswertungsmethoden 162 6.2 Geometrie und Herstellung der Prüfkörper 164 6.2.1 Prüfkörper zum Bestimmen der Haftfestigkeit vor und nach künstlicher Alterung 164 6.2.2 Scherprüfkörper für Kriechversuche 165 6.2.3 Vorbereiten und Konditionieren der Proben 166 6.3 Verfahren zur mechanischen Prüfung und zur künstlichen Alterung 168 6.3.1 Zug- und Scherversuche 168 6.3.2 Lagerung unter UV-Bestrahlung 170 6.3.3 Lagerung in Reinigungsmittellösung 171 6.3.4 Holzfeuchtewechsel bei +20 °C 172 6.3.5 Lagerung in schwefeldioxidhaltiger Atmosphäre 173 6.3.6 Kriechversuche 174 6.4 Auswertung der Versuchsergebnisse 176 6.4.1 Anfangsfestigkeit im Scherversuch 176 6.4.2 Anfangsfestigkeit im Zugversuch 181 6.4.3 Sichtbare Veränderungen der Klebschicht 183 6.4.4 Restfestigkeit nach Alterung 185 6.4.5 Analyse der Versagensmuster 189 6.4.6 Kriechverhalten 192 6.4.7 Restfestigkeit nach Vorbelastung 198 7 Experimentelle Untersuchungen an bauteilähnlichen Prüfkörpern 201 7.1 Untersuchungsprogramm und Methodik 201 7.1.1 Ziel der Untersuchungen 201 7.1.2 Materialien 202 7.1.3 Großer Scherprüfkörper 203 7.1.4 Herstellung der Prüfkörper 205 7.1.5 Versuchsprogramm – Bauteilversuche 207 7.2 Entwicklung eines Kriechprüfstands 210 7.2.1 Prüfrahmen 210 7.2.2 Lasteinleitung 211 7.2.3 Belastungsvorgang 212 7.2.4 Messtechnik und Monitoring 213 7.2.5 Modifikation für Kurzzeitversuche 214 7.3 Große Scherversuche unter Kurz- und Langzeiteinwirkung 215 7.3.1 Tragfähigkeit bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 215 7.3.2 Spannungsverteilung im Glas 219 7.3.3 Kriechversuche mit 1000 Stunden Laufzeit 221 7.3.4 Verlängerte Kriechversuche am Klebstoff mit mittlerer Steifigkeit 226 7.3.5 Tragfähigkeit nach Vorbelastung 230 8 Bewertung und Handlungsempfehlung 231 8.1 Alterungsverhalten 231 8.2 Korrelation der Ergebnisse aus Fügeteil- und 233 Bauteilversuchen 8.2.1 Versuche bei kurzzeitiger Lasteinwirkung 233 8.2.2 Versuche bei langandauernder Lasteinwirkung 235 8.3 Der Vorzugsklebstoff und seine Einsatzgrenzen 238 8.4 Konstruktion 241 9 Zusammenfassung und Ausblick 243 9.1 Zusammenfassung 243 9.2 Ausblick 249 10 Literatur 253 11 Abbildungsverzeichnis 263 12 Tabellenverzeichnis 267 13 Bezeichnungen 268 Anhang A Materialkennwerte zur Klebstoffauswahl 271 B Klebverbindungen im Labormaßstab 287 C Bauteilähnliche Prüfkörper 373

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

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