Die Dringlichkeit der Entwicklung von nachhaltigeren Baustoffen und -methoden ist offensichtlich. Somit gewinnen auch neuartige Baumaterialien wie Papier an Relevanz. Bisher wird Papier in Gebäuden eher im Möbelbau oder für zeitlich begrenzte Konstruktionen eingesetzt. Die aus diesen Anwendungen und zusätzlicher Forschung resultierenden Erkenntnisse zeigen, dass Papier auch als Baumaterial für dauerhaft tragende Konstruktionen erhebliches Potential besitzt.

Für eine ganzheitliche Betrachtung von Papier als Baustoff, müssen unter anderem Fügetechniken untersucht werden. Oft sind geklebte Papiere nach ihrer Lebensdauer nicht recycelbar. Aus diesem Grund sollen mechanische Verbindungsmittel für den Papierbau in Betracht gezogen werden. Ziel der Arbeit ist Scher-Lochleibungsverbindungen von mechanischen Verbindungsmitteln in Papier versuchstechnisch und numerisch bzw. analytisch zu untersuchen.

Wärmepumpen stellen eine der Schlüsseltechnologien für die Dekarbonisierung des Energiesystems dar. Erdwärmesonden-gekoppelte Wärmepumpen sind dabei besonders effizient.

In dieser Arbeit soll eine Benchmark-Toolbox entwickelt werden, um einen Beitrag zur Vergleichbarkeit von Erdwärmesondenmodellen zu leisten.

Verbundsicherheitsglas (VSG) besteht aus mind. zwei Schichten Glas, die über eine polymere Zwischenschicht miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass im Falle eines Bruchs der Scheibe(n) Glasbruchstücke an der Folie haften bleiben und das Laminat eine Resttragfähigkeit behält. Um das Nachbruchverhalten zu charakterisieren, können Zug- und Biegeversuche an gebrochenem VSG durchgeführt werden. Dazu kann VSG aus thermisch vorgespanntem Glas oder aus thermisch entspanntem Glas (Floatglas), welches definiert oder undefiniert gebrochen wurde, genutzt werden.

Bruchmechanische Modelle ermöglichen es, komplexes Materialverhalten vereinfacht zu beschreiben. Mit ihrer Hilfe können so z.B. Vorhersagen über das Risswachstums- und Versa-gensverhalten ingenieurtechnisch relevanter Materialien gemacht werden.

Vakuumisoliergläser (VIGs) sind eine innovative Fenstertechnologie mit dem Potenzial, energieeffiziente Gebäude zu revolutionieren. Fenster und transparente Fassadenelemente sind Hauptverursachen von Wärmeverlusten und CO2-Emissionen in Gebäuden. VIGs bestehen aus Glasscheiben mit einem Vakuumzwischenraum, der thermische Effekte minimiert und die Energiebilanz von Gebäudehüllen verbessert. Kleine Abstandhalter im va- kuumierten Scheibenzwischenraum gewährleisten die Stabilität über Jahrzehnte und beeinflussen das Verhalten von VIGs maßgeblich. Die Untersuchung dieses Einflusses und die Entwicklung von Normen für die Verwendung von VIGs sind entscheidend für die Einführung energieoptimierter Fenster- und Fassadensysteme in Deutschland und Europa. VIGs könnten somit einen bedeutenden Beitrag zur Nachhaltigkeit im Bauwesen leisten.

Glas ist ein allgegenwärtiges Material in modernen technischen Anwendungen, das für seine Transparenz, Stärke und Vielseitigkeit geschätzt wird. Glas ist jedoch von Natur aus spröde, und seine Anfälligkeit für die Entstehung und Ausbreitung von Rissen stellt in strukturellen und sicherheitskritischen Kontexten eine große Herausforderung dar. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von glasbasierten Strukturen und Produkten zu verbessern, ist es daher von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie sich Risse in eingedrückten Glasproben unter anschließender Belastung ausbreiten.

Während die Glasscheiben in konventionellen Gitterschalen typischerweise nur als ausfachende Elemente genutzt werden, kann die Aktivierung des vollen Tragfähigkeitspotenzials von Glas wesentlich dazu beitragen, die Material- und Energieressourcen von Unterkonstruktionen für Glasfassaden zu reduzieren.

In einem aktuellen Forschungsprojekt werden dazu die Integration lokaler und linearer Verbin-dungskonstruktionen in Glastragwerken untersucht, welche dazu beitragen sollen, das statische Potenzial der eingesetzten Glasscheiben besser auszureizen und dadurch den Stahlverbrauch in Unterkonstruktionen auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. Dies soll letztendlich den Bau von transparenten Glaskonstruktionen mit einer großen Vielfalt an Formen und Anwendungen ermöglichen.

Vakuum-Isolierglas (VIG) ist einenergieeffizientes Verglasungssystem. Sein Aufbau (genauer gesagt die Anordnung der Abstandhalter die erforderlich sind, um den hohen Belastungen durch den atmosphärischen Druck (10 Tonnen/m2) standzuhalten) führt jedoch zu komplexen Spannungsverteilungen und hohen lokalen Spannungsgradienten. Dies kann zur Bildung so genannter 'Cone cracks' führen, die sich zu durchgehenden Rissen entwickeln und somit zu einem katastrophalen Versagen dieser Verglasungseinheiten führen können. Bei der Bemessung von VIGs wird in der Regel davon ausgegangen, dass der Kontakt zw. Glas und den Abstandhaltern unbedenklich ist, wenn das Raster in dem die Abstandhalter angeordnet sind begrenzt ist. Untersuchungen verschiedener VIGs zeigen jedoch, dass Risse trotzdem auftreten und das Versagen von einem dieser Abstandhalter ausgehen kann.

Vakuumisoliergläser (VIGs) sind eine innovative Fenstertechnologie mit dem Potenzial, energieeffiziente Gebäude zu revolutionieren. Fenster und transparente Fassadenelemente sind Hauptverursachen von Wärmeverlusten und CO2-Emissionen in Gebäuden. VIGs bestehen aus Glasscheiben mit einem Vakuumzwischenraum, der thermische Effekte minimiert und die Energiebilanz von Gebäudehüllen verbessert. Kleine Abstandhalter im va- kuumierten Scheibenzwischenraum gewährleisten die Stabilität über Jahrzehnte und beeinflussen das Verhalten von VIGs maßgeblich. Die Untersuchung dieses Einflusses und die Entwicklung von Normen für die Verwendung von VIGs sind entscheidend für die Einführung energieoptimierter Fenster- und Fassadensysteme in Deutschland und Europa. VIGs könnten somit einen bedeutenden Beitrag zur Nachhaltigkeit im Bauwesen leisten.

In der Postsiedlung in Darmstadt sind Neubauten und Bestandsgebäude an ein gemeinsames Nahwärmenetz angeschlossen. Während die Neubauten über zentrale Wärmepumpen mit einem Erdwärmesondenfeld als Wärmequelle versorgt werden, wird der Heizwärmebedarf der Bestandsgebäude überwiegend über Blockheizkraftwerke (BHKW) auf einem höheren Temperaturniveau gedeckt. Die Abwärme aus der Abluft und den Abgasen der BHKW wird wiederum zusammen mit der Abwärme aus der passiven Fußbodenkühlung der Neubauten zur Regeneration des Erdwärmesondenfeldes genutzt. Damit soll ein langfristig effizienter Betrieb der Wärmepumpen sichergestellt werden.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Analyse und Optimierung der Regeneration des Erdwärmesondenfeldes und des Kühlbetriebes.

Um den Verbrauch von Rohstoffen, die Produktion von klimaschädlichen Gasen und das Abfallaufkommen zu reduzieren, rückt seit einiger Zeit das Thema Kreislaufwirtschaft in den Vordergrund. Die Kreislaufwirtschaft ist ein ganzheitlicher Ansatz, der darauf abzielt, Rohstoffe und die daraus entstehenden Produkte effizient und so lange wie möglich zu nutzen. Sie umfasst das Reparieren, Wiederverwenden und Recyceln.

Die 3D-Drucktechnologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Kunststoffen, Metallen und sogar Glas. Insbesondere der 3D-Druck von Glasbauteilen hat in jüngster Zeit viel Aufmerksamkeit erhalten, da es ein sehr anspruchsvolles Material ist, das eine spezielle Verarbeitung erfordert.

Am Institut für Statik und Konstruktion konzentrieren wir uns auf die Materialprüfung von 3D gedruckten Glasbauteilen und untersuchen, welche Prüfmethoden angewendet werden können, um die Qualität und Eignung dieser Bauteile für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen zu bestimmen.

Aufgrund dieser Ergebnisse erarbeiten wir eine Methodik für das Konstruieren mit 3D gedruckten Glasbauteilen.

Ziel eines aktuellen Forschungsprojektes ist es, komplexe Rissfortschritte während des Glasbruchvorgangs, sowie die resultierenden Bruchstückgeometrie- und -größe zu prognostizieren. Dazu wird am ISM+D unter anderem eine Datenbasis aus experimentellen Untersuchungen erstellt in denen Gläser mit unterschiedlich hohen thermischen Vorspanngraden gezielt gebrochen werden. Die beim Anschlag entstehende Wellenausbreitung im Glaskörper wird mit speziellen Sensoren erfasst. Die Analyse des Bruchbildes erfolgt mittels digitaler Bildbearbeitung.

Mögliche Themen für eine Abschlussarbeit (Bachelor oder Master):

- Numerische Charakterisierung von Bruchmorphologien bei thermisch vorgespannten Gläsern

- Stochastische Modellierung von Bruchmorphologien bei thermisch vorgespannten Gläsern

Um dem Wunsch nach transparenten Fassaden nachzugehen, sollen durch Glas 3D Druck neuartige Verbindungen für Anwendungen in der Fassade entstehen. Bild 1 zeigt den Bauraum des Glas 3D Druckers der TU Darmstadt, der geschmolzenes Glas auf eine erhitzte Basisplatte aus Glas drucken soll.

Um den Prozess des Glas 3D Druckens zu verstehen, soll das Aufheizen der Basisplatte mittels Heizplatte und Gasbrenner sowie das anschließende Abkühlen untersucht werden. Um das Bruchrisiko während des Druckens zu kennen und reduzieren zu können, sollen Temperaturen und Spannungen während des Drucks untersucht werden. Dafür steht eine Thermografiekamera zur Temperaturmessung der Glasoberfläche zur Verfügung, siehe Bild 2b. Numerische Simulationen sind möglich, um Spannungen während des Aufheizens zu berechnen. Nach dem Abkühlen können Eigenspannungen im Glas verbleiben, die die optische und mechanische Qualität des Bauteils beeinflussen. Die Eigenspannungen können nach dem Druck mittels Spannungsoptik untersucht werden, siehe Bild 2a. In einer Abschlussarbeit können Versuche zum Aufheizen und Abkühlen der Basisplatte am Glas 3D Drucker durchgeführt werden.

Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) ist ein thermisch vorgespanntes Glas mit, im Vergleich zum thermisch entspanntem Glas, erhöhter Biegezugfestigkeit. Zudem entstehen im Falle des Glasbruches viele kleine Bruchstücke mit stumpfen Kanten, die das Verletzungsrisiko verringern. Die Prüfungen zur Sicherstellung der Biegezugfestigkeit und der Bruchstruktur haben sich seit der Erstveröffentlichung (1996) der relevanten europäischen Produktnorm EN 12150 nicht verändert. Vorgeschrieben ist, täglich zerstörende Prüfungen an begleitend produzierten Glaselementen durchzuführen. Es ist bekannt, dass die Bruchstruktur von der Glasdicke und dem Vorspanngrad abhängt: Bei gleicher Glasdicke führt ein hoher Vorspanngrad zu deutlich kleineren Bruchstücken als ein niedriger Vorspanngrad. Unterschiedliche Vorspanngrade erzeugen unterschiedlich hohe Oberflächendruckspannungen und Kantenmembranspannungen die zerstörungsfrei mittels Spannungsoptik ermittelt werden können.

Verbundglas besteht aus mindestens zwei Glasscheiben, die durch eine polymere Zwischenschicht verbunden werden. Im Falle des Glasbruches entsteht ein Resttragverhalten bei dem durch Biegung hervorgerufene Zugspannungen über die polymere Zwischenschicht abgetragen werden. Die numerische Abbildung des Materialverhaltens der Zwischenschicht bei großen Verformungen, wie sie im Falle des Versagens einer oder mehrerer Glasscheiben auftreten, ist zurzeit nicht möglich. Das Materialverhalten ist hier sowohl von der Temperatur und Belastungsdauer als auch von der Höhe der Belastung abhängig, sodass nichtlinear viskoelastische Materialmodelle notwendig werden.

Fassadenverglasungen werden durch verschiedene Belastungen, wie etwa Eigengewicht, Wind, Stoßbeanspruchungen beansprucht. Zusätzlich ist jedoch auch die Belastung durch Temperatur zu beachten. Diese thermische Belastung setzt sich in der Regel aus zwei Komponenten zusammen, und zwar aus der Sonneneinstrahlung auf die Glasoberfläche und die Umgebungstemperatur. Immer wieder kommt es bedingt durch die jeweilige Einbausituation, Verschattung, Orientierung (Himmelsrichtung), etc. zu thermisch induzierten Glasbrüchen, die in der Baupraxis bereits ein bekanntes Problem darstellen. In der Regel sind die Verglasungen (z.B. Isolierglas), bei denen es zum thermischen Bruch kommt, diejenigen, welche mit nicht thermisch vorgespanntem Glas (annealed glass) zusammengesetzt sind. Der thermische Bruch stellt sich überlicherweise von der Glaskante aus ein, da diese den größten Grad der Schädigung (größte Kerben) enthält und zugleich dort die maximalen Beanspruchungen aus der thermischen Belastung resultieren. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterthesis soll eine Isolierglaseinheit thermischmechanisch mit Hilfe einer Berechnugssoftware z.B. Ansys numerisch simuliert und dabei verschiedene Parameter analysiert werden.