Dissertationen

Parametric Life Cycle Assessment

Dr.-Ing. Alexander Hollberg

Die Ökobilanzierung eignet sich sehr gut, um die Umweltwirkung eines Gebäudes zu quantifizieren, wird in der Praxis jedoch kaum angewandt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Anwendung in den entscheidenden frühen Entwurfsphasen mit Hilfe einer parametrischen Methode zu erleichtern. Der parametrische Ansatz ermöglicht die schnelle Generation und den Vergleich einer Vielzahl von Varianten und dient damit als Grundlage für die Optimierung des Entwurfes hinsichtlich einer minimalen Umweltwirkung.

Die Promotion wurde 2016 abgeschlossen.

Adaptivität von Flächentragwerken – Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz von Faserverbundstrukturen im Bauwesen

Dr.-Ing. Christian Heidenreich

Die Promotion wurde 2016 abgeschlossen.

Von der Faser zum Haus – Das Potential von gefalteten Wabenplatten aus Papierwerkstoffen in ihrer architektonischen Anwendung

Dr.-Ing. Stephan Schütz

Wabenplatten aus Papierwerkstoffen können durch Faltprozesse in äußerst tragfähige und ästhetische Bauteile transformiert werden. Die hier beschriebenen SWAP-Platten sind in verschiedenen Stärken erhältlich, besitzen eine hohe statische Leistungsfähigkeit und bieten ein breites Anwendungsspektrum. Als theoretische Grundlage dieser Arbeit werden die geschichtliche Entwicklung und die gesellschaftliche Bedeutung von Papier und Papierwerkstoffen analysiert und deren Produktionsprozesse beleuchtet. Intensive Untersuchungen widmen sich der geometrischen Bestimmung von Faltungen in Wabenplatten aus Papierwerkstoffen sowie deren Manifestation als konstruktive Bauteile. Auch die statischen Eigenschaften der Elemente und ihr Konstruktionspotential werden erforscht und aufbereitet. Wichtige Impulse aus Forschung und Technik fließen in die Recherche der Arbeit ein und erlauben die Verortung der Ergebnisse im architektonischen Kontext. Versuchsreihen und Materialstudien an Prototypen belegen die Ergebnisse virtueller und rechnerischer Studien. Konzepte zur parametrischen Berechnung und Visualisierung der Forschungsergebnisse werden präsentiert und zeigen zukunftsfähige Planungshilfen für die Industrie auf. Etliche Testreihen zu unterschiedlichsten Abdichtungskonzepten führen zur Realisierung eines sehenswerten Experimentalbaus. Er erlaubt die dauerhafte Untersuchung der entwickelten Bauteile unter realistischen Bedingungen, bestätigt deren Leistungsfähigkeit und zeigt auch das enorme gestalterische Potential von gefalteten Wabenplatten aus Papierwerkstoffen.

Die Promotion wurde 2015 abgeschlossen.

Tragverhalten von Betondruckgliedern mit vorgespannter Umschnürung aus Formgedächtnislegierung, Stahl oder faserverstärkten Kunststoffen

Dr.-Ing. Lars Janke

Druckbeanspruchte Bauteile aus Beton können mit zugfesten Umschnürungen von außen verstärkt werden. Mit dieser etablierten Methode konnten axiale Traglast und Duktilität von unzureichend bewehrten Stützen bereits verbessert werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass der umschnürte Betonkern dennoch an Festigkeit verliert. Um die Wirksamkeit der Umschnürung zu erhöhen, wird deshalb vorgeschlagen, das umschnürende Material vorzuspannen. Dieser Vorschlag wird insbesondere von der neuen Materialgruppe der Formgedächtnislegierungen inspiriert, die thermisch vorspannbar sind.

Bisher sind die Auswirkungen der Vorspannung einer Umschnürung auf das Tragverhalten von Betondruckgliedern kaum untersucht worden. Diese Lücke wird durch systematische Versuche an Betonzylindern mit vorgespannter Umschnürung aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff geschlossen. Die Abbildung der Versuchsergebnisse durch geeignete Modelle ermöglicht auch Aussagen zum Verhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus anderen Materialien, beispielsweise Formgedächtnislegierungen. Um diese in den Berechnungen zu simulieren, wird eine für das Bauwesen infrage kommende eisenbasierte Legierung in separaten axialen Versuchen charakterisiert und thermisch vorgespannt. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelten neuen Modelle orientieren sich im Wesentlichen an zwei Zielen: dem Abbilden des mehraxialen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des vorgespannt umschnürten Betons und dem Berechnen der Restfestigkeit des Betons.

Die durchgeführten Versuche und Parameterstudien auf Basis der Modelle zeigen: Die Vorspannung der Umschnürung beeinflusst vor allem die Restfestigkeit des Betons wesentlich. Die gewonnenen Erkenntnisse und neuen Methoden können eingesetzt werden, um das Tragverhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus Stahl, faserverstärktem Kunststoff oder Formgedächtnislegierungen zu bewerten.

Die Promotion wurde 2014 abgeschlossen. → Online-Publikation

Lösbare kraftschlüssige Verbindungen für modulare Bauwerke aus Faserverbundkunststoffen

Dr.-Ing. Stefan Linne

In der Arbeit wird eine kraftschlüssige Verbindungstechnik für modulare, schalenartige Faserverbundbauteile vorgestellt. Die Verbindung basiert auf der Verklebung mit lokal begrenzten Stahlblechen. Aus dem Verbindungsansatz wird die Verklebung zwischen Stahl und Faserverbundkunststoff vertiefend betrachtet. Ziel sind die Wahl von technologischen Randbedingungen, die Erarbeitung eines Vorschlages zur numerischen Berechnung und Bemessung und die Formulierung konstruktiver Empfehlungen zum Entwurf von Verklebungen. Mechanische Kennwerte werden in Zugversuchen ermittelt und direkt auf die nichtlinearen Berechnungen übertragen. Technologische Einflüsse und die Streuungen aus realen Verklebungen werden über die Nachrechnung von Zugscherversuchen in die Bemessung integriert. Es wird gezeigt, dass die Verklebungen ausreichende Festigkeiten und ein zufriedenstellendes Bruchverhalten aufweisen. Die Kombination aus einer Werkstattverklebung und einer baustellengerechten Montage ermöglicht eine materialgerechte und effiziente Verbindungen für Faserverbundkonstruktionen unter den Randbedingungen des Bauwesens.

Die Promotion wurde 2011 abgeschlossen. → Online-Publikation

Das wohltemperierte Netz – Zum konstruktiven Entwurf direkt verglaster Stabnetze und Freiformflächen

Dr.-Ing. Alexander Stahr

Animiert durch die Möglichkeiten überaus bedienerfreundlicher 3D-Modelling-Software entstehen in Architekturbüros vermehrt Entwürfe, welche ganz auf den Reiz frei geformter Oberflächen setzen. Der Computer wird dabei gezielt als entwerferisches Werkzeug zur Formerzeugung und -variierung genutzt. Im Ergebnis des digital-technologischen, zeitgeistgeprägten Entwurfsprozesses entwickelt sich eine "biomorphe", stark symbolhafte Architektur fließender Flächen und Räume. In Verbindung mit dem architektonischen Motiv der harmonischen Verbindung von Innenraum und Außenraum erhöht sich der Anspruch der Entwürfe um das Verlangen nach Transparenz bzw. Transluzenz.

Im geschilderten Umfeld sind in den letzten Jahren einige sehr interessante Projekte realisiert worden. Dabei handelt es sich aus tragwerksplanerischer Sicht häufig um Stabnetzstrukturen bzw. Gitterstabwerke. Diese lösen die flächige Struktur in ein System aus tragenden, stählernen Stäben und Knoten sowie hüllenden, zumeist gläsernen Eindeckungselementen auf. Sie sind offensichtlich geeignet die dargelegten entwerferischen Motive zu befriedigen und gleichzeitig sowohl die geometrischen und tragqualitativen als auch die fertigungs- und montagetechnologischen Anforderungen in Bezug auf eine auch unter wirtschaftlichen Aspekten überzeugende Realisierung zu erfüllen. Der multiparametrische Prozess des konstruktiven Entwurfs solcher Konstruktionen hat entscheidende Bedeutung in Bezug auf ihre Realisierbarkeit.

Die Promotion wurde 2008 abgeschlossen. → Online-Publikation

Evolutionäre Strategien für das Tensegrity-Konzept

Dr.-Ing. Christian Wolkowicz

Seit Errichtung der Skulpturen des Künstlers Kenneth Snelson und der Wortschöpfung des Ingenieurs und Philosophen Richard Buckminster Fuller vor mehr als 50 Jahren sehen Wissenschaftler aus verschiedensten Fachgebieten großes Potential im Strukturprinzip Tensegrity. Auf dem Gebiet der Architektur existieren zahlreiche Publikationen zu Geometriebetrachtungen und zum großen architektonischen Reiz. In den letzten Jahren, in denen die Möglichkeiten der Rechentechnik exponentiell anwuchsen, wendeten sich auch Mathematiker und Ingenieure verstärkt dem Konzept zu. Ein wesentlicher Nachteil von Tensegrity-Strukturen gegenüber anderen Tragsystemen ist die geringe Steifigkeit und die damit verbundenen großen Verformungen. Um diese Verformungen zu reduzieren, kann man die Vorspannung erhöhen, die lokale Steifigkeit der Einzelelemente vergrößern, die Geometrie variieren oder die Topologie verändern.

Die Promotion wurde 2008 abgeschlossen. → PDF

Zur Geschichte der Konstruktion und der Bemessung von Tragwerken des Hochbaus aus faserverstärkten Kunststoffen 1950–1980

Dr.-Ing. Elke Genzel

Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung faserverstärkter Kunststoffe für Tragwerke des Hochbaus. Es wird ein geschichtlicher Überblick über die Jahre 1950 bis 1980 gegeben und dabei herausgestellt, wie es 1. zur Einführung des bis 1950 unbekannten Werkstoffes im Bauwesen kommen konnte 2. welche Personen und Institute maßgeblich an der Einführung und Entwicklung des Bauens mit FVK beteiligt waren 3. welche Tragwerke verwendet wurden 4. wie die Pioniere diese Tragwerke bemaßen 5. welche konstruktiven Besonderheiten sich mit der Verwendung von FVK in der Tragstruktur ergaben Nach einer Einführung werden im Kapitel 2 die wichtigsten Faktoren der Entwicklung von Tragwerken aus GFK erörtert. Im Kapitel 3 wird die Technik der Fertigung von GFK-Teilen und deren Fügung beschrieben. Im Kapitel 4 werden die Tragwerke beschrieben und einzelne Tragwerkstypen eingehend erörtert. Im Kapitel 5 werden die Bemessungskonzepte und deren Entwicklung erörtert. In der Bilanz werden die Faktoren aufgezählt, die zum Abklingen des Bauens mit FVK in der Tragstruktur geführt haben. Die Arbeit wird ergänzt durch eine ca. 40-seitige Tabelle in der die gebauten Tragwerke in Abhängigkeit von den technischen Parametern Spannweiten und Lasten dargestellt werden. Im Anhang werden 10 exemplarische Bauten detailliert erörtert.

Die Promotion wurde 2006 abgeschlossen. → Online-Publikation

Numerische Simulation, Strukturanalyse und Bemessung von Stahlbeton-Verbundkonstruktionen unter Berücksichtigung des nachgiebigen Verbundes von Grenzflächen in Fugen

Dr.-Ing. Volker Lindig

Die Promotion wurde 2005 abgeschlossen.

Bewertung von Bauwerken mit der Effizienzwertmethode – Untersuchungen zur ganzheitlichen Qualität

Dr.-Ing. Derek Eisert

Die Promotion wurde 2004 abgeschlossen.

Entwicklung von Verfahren zur Beurteilung des Tragverhaltens von mehrschichtigen Außenwandelementen aus Betonen unterschiedlicher baustofflicher Kennwerte

Dr.-Ing. Mirko Neumann

Die Promotion wurde 1997 abgeschlossen.

Beitrag zur Berechnung von unendlich ausgedehnten, gebetteten Tragwerken unter Erfassung rheonomer Material- und Baugrundeigenschaften

Dr.-Ing. Abeje Gadle Habte Selassie

Die Promotion wurde 1995 abgeschlossen.

Beitrag zur Beurteilung des Tragverhaltens von Verbunddecken unter Berücksichtigung nichtlinearer Spannungs-Dehnungs-Beziehungen und unter Erfassung experimenteller Ergebnisse

Dr.-Ing. Lutz Ebel

Die Promotion wurde 1991 abgeschlossen.

Zum Tragverhalten von Stahlbeton-Verbundträger mit nachgiebiger Verbundfuge unter Berücksichtigung nichtlinearen Materialverhaltens

Dr.-Ing. Michael Burkhardt

Die Promotion wurde 1992 abgeschlossen.