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Computational analysis of woven fabric composites. Single- and multi-objective optimizations and sensitivity analysis in meso-scale structures

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[Quelle: http://d-nb.info]

This study permits a reliability analysis to solve the mechanical behaviour issues existing in the current structural design of fabric structures. Purely predictive material models are highly desirable to facilitate an optimized design scheme and to significantly reduce time and cost at the design stage, such as experimental characterization. The present study examined the role of three major tasks; a) single-objective optimization, b) sensitivity analyses and c) multi-objective optimization on proposed weave structures for woven fabric composites. For single-objective optimization task, the first goal is to optimize the elastic properties of proposed complex weave structure under unit cells basis based on periodic boundary conditions. We predict the geometric characteristics towards skewness of woven fabric composites via Evolutionary Algorithm (EA) and a parametric study. We also demonstrate the effect of complex weave structures on the fray tendency in woven fabric composites via tightness evaluation. We utilize a procedure which does not require a numerical averaging process for evaluating the elastic properties of woven fabric composites. The fray tendency and skewness of woven fabrics depends upon the behaviour of the floats which is related to the factor of weave. Results of this study may suggest a broader view for further research into the effects of complex weave structures or may provide an alternative to the fray and skewness problems of current weave structure in woven fabric composites. A comprehensive study is developed on the complex weave structure model which adopts the dry woven fabric of the most potential pattern in singleobjective optimization incorporating the uncertainties parameters of woven fabric composites. The comprehensive study covers the regression-based and variance-based sensitivity analyses. The second task goal is to introduce the fabric uncertainties parameters and elaborate how they can be incorporated into finite element models on macroscopic material parameters such as elastic modulus and shear modulus of dry woven fabric subjected to uni-axial and biaxial deformations. Significant correlations in the study, would indicate the need for a thorough investigation of woven fabric composites under uncertainties parameters. The study describes here could serve as an alternative to identify effective material properties without prolonged time consumption and expensive experimental tests. The last part focuses on a hierarchical stochastic multi-scale optimization approach (fine-scale and coarse-scale optimizations) under geometrical uncertainties parameters for hybrid composites considering complex weave structure. The fine-scale optimization is to determine the best lamina pattern that maximizes its macroscopic elastic properties, conducted by EA under the following uncertain mesoscopic parameters: yarn spacing, yarn height, yarn width and misalignment of yarn angle. The coarse-scale optimization has been carried out to optimize the stacking sequences of symmetric hybrid laminated composite plate with uncertain mesoscopic parameters by employing the Ant Colony Algorithm (ACO). The objective functions of the coarse-scale optimization are to minimize the cost (C) and weight (W) of the hybrid laminated composite plate considering the fundamental frequency and the buckling load factor as the design constraints. Based on the uncertainty criteria of the design parameters, the appropriate variation required for the structural design standards can be evaluated using the reliability tool, and then an optimized design decision in consideration of cost can be subsequently determined.

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Wilko Potgeter, Stefan M. Holzer
Backsteinstadt Zürich
Der Sichtbackstein-Boom zwischen 1883 und 1914
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Das Bauen in Sichtbackstein erlebte im späten 19. Jahrhundert eine entscheidende Wiederbelebung. Als die industrielle Herstellung der Ziegel auf den Bauboom der Gründerzeit traf, konnte sich diese Bautechnik breitflächig durchsetzen. Die farbenfrohen, mit Backsteinen verblendeten Fassaden der Jahrhundertwende prägen noch heute unsere gebaute Umwelt und gehören im deutschsprachigen Raum zum Bild jeder grösseren Stadt. Mit seinen rund eintausend historischen Sichtbackstein-Bauten ist Zürich die wohl am besten erhaltene "Backsteinstadt" dieser Epoche. Da die Metropole an der Limmat von den Zerstörungen der Weltkriege weitgehend verschont blieb, zeugen ganze Quartiere von den gestalterischen und konstruktiven Strömungen des Fin de Siècle und machen Zürich zu einem hervorragenden Fallbeispiel für die Entwicklung der sogenannten Verblendtechnik. Dieses Buch entspringt einem Forschungsprojekt des Instituts für Denkmalpflege und Bauforschung der ETH Zürich. Ausgehend von Archivrecherchen und einer Spurensuche am erhaltenen Baubestand wird der mit der Landesausstellung 1883 einsetzende Sichtbackstein-Boom erstmals in seinen zeitlichen, räumlichen und bautechnischen Dimensionen detailliert nachgezeichnet. Reich illustriert mit historischen und neuen Fotografien, Detailaufnahmen und Diagrammen ist das Buch ein Grundlagenwerk zur Entwicklungsgeschichte des Sichtbacksteins in Zürich. Reizvoll ergänzt wird das Forschungsmaterial durch bislang kaum veröffentlichte Aufnahmen des Zürcher Fotografen und "Häuser-Sammlers" Friedrich Ruef-Hirt (1873? 1927) aus den Beständen des Baugeschichtlichen Archivs der Stadt Zürich.

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Gernot Minke, Benjamin Krick
Straw Bale Construction Manual
Design and Technology of a Sustainable Architecture
2020, 160 S., 190 b/w and 100 col. ill., 108 b/w img., 86 b/w ld. 280 mm, Hardcover
Birkhäuser Berlin

 

 

Bereits vor gut 100 Jahren wurde in Nebraska die Technik des Bauens mit Strohballen entwickelt. Durch das Stapeln und Verbinden der Ballen ließen sich preisgünstig Wohnhäuser errichten. Seit einiger Zeit erlebt dieser Baustoff in vielen Teilen der Erde eine Renaissance: Die Häuser sind wirtschaftlich, da sie zum Teil in Eigenleistung errichtet werden können, und ökologisch sinnvoll, da der Rohstoff nachwächst und sehr gute Dämmeigenschaften aufweist. Das Buch zeigt praxisnah die Konstruktion von Strohbauten. Es erörtert die wichtigen Themen Brandsicherheit, Nässeschutz und Verhinderung von Schädlingsbefall und dokumentiert die Montage Schritt für Schritt mit Baustellenfotos. 30 ausgewählte Projekte zeigen das vielfältige Gestaltungspotential dieses Materials.

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Karl-Uwe Voß
Schäden an Flächenbefestigungen aus Betonpflaster II
Frostschäden, gebundene Bauweise, oberflächenvergütete Produkte
2019, 208 S., 192 Abb. und 18 Tab., Hardcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In seinem zweiten Buch über Flächenbefestigungen aus Betonsteinen und -platten vermittelt Karl-Uwe Voß die Fachkenntnisse für die sachverständige Bewertung von Pflasterflächen mit besonderen Schadensrisiken. Hierzu zählen Pflasterdecken, die häufigen Frost- oder Frost-Tauwechselangriffen ausgesetzt sind und deshalb besonders komplexe Verwitterungsschäden aufweisen können. Pflasterdecken in gebundener Bauweise stellen hohe Anforderungen an Planung und Herstellung, um Rissschäden und hohe Mangelbeseitigungskosten zu vermeiden. Dieser Sonderbauweise ist deshalb ein eigener Schwerpunkt gewidmet. Spezielle Kenntnisse erfordert auch die Bewertung von Reklamationen an Flächen aus oberflächenvergüteten Betonwaren. Die Eigenschaften der verschiedenen Vergütungssysteme, ihre Applikationstechnik und die Wechselwirkungen zwischen den Betonen und den Vergütungssystemen spielen bei der Entstehung von Schäden eine ebenso wichtige Rolle, wie die Verlegung, Reinigung und Pflege dieser Flächen. Das Buch vermittelt fundiert und dennoch praxisnah Vorgehensweisen, mit denen Schadensursachen an diesen Flächen sicher bestimmt und Verantwortlichkeiten eindeutig nachgewiesen werden können. Zusammenfassende Bewertungshilfen und übersichtliche Checklisten zur Reklamationsbearbeitung machen es für Sachverständige ebenso nützlich wie für Ausführende, Planer und Eigentümer hochwertiger Pflasterdecken.

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Andrea Bocco Guarneri
Vegetarian Architecture
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Was ist "gute" Architektur? An diese scheinbar einfache Frage sind umfangreiche Kriterien geknüpft - ganz ähnlich wie an "gutes" Essen, das in den vergangenen Jahrzehnten verstärkt zum gesellschaftlichen Thema geworden ist. Dieses Buch stellt eine Auswahl von Gebäuden zusammen, die auf einfachen Technologien, Handwerkskunst und dem sorgfältigen Einsatz von lokalen und natürlichen Materialien basieren. Die Bauten weisen eine hervorragende Bauqualität auf, unterstützen die Landschaftsrestaurierung sowie die Bildung von Gemeinschaften. Sie stammen aus Europa und Japan und rücken weniger bekannte Architekten, unauffällige Bauwerke und marginale Orte, an denen sich unabhängige Ideen und Konzepte entwickeln konnten, ins Licht.

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Gernot Minke
Handbuch Lehmbau
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9., überarb. Aufl.
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Der Wunsch nach umweltschonendem Bauen und gesundem Wohnen hat zu einer Rückbesinnung auf diesen seit Jahrtausenden gebräuchlichen Baustoff geführt. Inzwischen wird auch bei uns wieder mit Lehm gebaut und nach neuen, verbesserten Anwendungstechniken geforscht. In diesem Lehrbuch und Nachschlagewerk werden die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und Verarbeitungstechniken des Baustoffes Lehm gezeigt und die materialspezifischen Eigenschaften und physikalischen Kennwerte fundiert und praxisnah dargestellt. Die Zusammenstellung der Daten und Erkenntnisse aus Forschung und Praxis wird ergänzt durch Beschreibungen und Bilder ausgeführter Lehmhäuser und durch die Erfahrungen, die bei der Planung und Realisierung zahlreicher Lehmbauten im In- und Ausland gewonnen wurden.

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Forschungsberichte

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Wolfram Jäger, Raik Hartmann
Lehmmauerwerk: Entwurfs- und Konstruktionsgrundsätze für eine Breitenanwendung im Wohnbau unter Berücksichtigung klimatischer Bedingungen gemäßigter Zonen am Beispielstandort Deutschland
EGsL - Abschlussbericht.
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Basierend auf den Erkenntnissen historischer Lehmbauten sowie statischer Berechnungen und der Bauphysik stützen unsere Untersuchungen die Annahme, dass Mauerwerk mit modernen, großformatigen Lehmsteinen ein viel höheres Leistungspotenzial hat als derzeit angenommen. Dies gilt insbesondere für die Nachhaltigkeit. Die größte Sorge bis heute betrifft die Wasserempfindlichkeit dieses Baustoffs in Bezug auf die strukturelle Stabilität. Dem kann jedoch mit zuverlässigen, prophylaktischen Schutzmaßnahmen begegnet werden. Selbst bei einer maximalen feuchtigkeitsbedingten Festigkeitsabnahme von 20 % besteht für den Tragfähigkeitszustand der Tragfähigkeit noch eine ausreichende Druckfestigkeit. Mit der Feuerwiderstandsfähigkeit von mehr als 60 Minuten, dass es möglich ist, mehrstöckige freistehende Wohnhäuser zu bauen. Dies zeigt, dass die Leistungsfähigkeit des modernen Lehmmauerwerks höher ist als derzeit angenommen, sofern die bei den Arbeiten entwickelten baulichen und technischen Sicherheitsprinzipien für modernes Lehmmauerwerk eingehalten werden.

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Thorsten Weimar, Sebastián Andrés López, Christoph Hahn
Entwicklung von Verbundtafeln aus innovativem Dünnglas und Polycarbonat. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3077
2018, 83 S., 42 Abb. u. 45 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ein Verbund von sprödem Dünnglas mit duktilem Polycarbonat führt zu neuartigen Verbundtafeln und bietet eine Alternative zu konventionellem Verbundsicherheitsglas. In einem ersten Schritt sind die Anforderungen und Anwendungsmöglichkeiten an eine Dünnglas-Polycarbonat-Verbundtafel beschrieben. Anschließend folgt auf technischer und wirtschaftlicher Grundlage eine Materialauswahl für die Einzelkomponenten. In einem zweiten Schritt werden physikalische, optische und mechanische Eigenschaften der Verbundtafel bestimmt. Daraus ergeben sich Aussagen zum Querschnittsaufbau für unterschiedliche Beanspruchungen. Die Ergebnisse zur Entwicklung von Verbundtafeln aus innovativem Dünnglas und Polycarbonat ermöglichen die Herstellung eines neuartigen Verbundwerkstoffes mit einem breiten Anwendungskatalog. Als Sicherheitssonderverglasungen sind die Laminate um bis zu 40 Prozent leichter und um bis zu 70 Prozent schlanker als konventionelle Glasverbunde.

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Konstantin Terytze, Robert Wagner, Michaela Dumm
Auswirkungen verschiedener Elutionsmittel auf die ökotoxikologische Bewertung von Bauprodukteluaten - Algentoxizität. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3311
2015, 27 S., 11 Abb. u 9 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In dem Forschungsvorhaben stand die Frage nach dem Einfluss von Trinkwasser und deionisiertem Wasser auf die Freisetzung von Inhaltstoffen aus Polyacrylat auf das Wachstum der Grünalge Desmodesmus subspicatus (nach DIN 38412-33:1991-03) im Vordergrund. Die Eluate wurden durch die Teilnehmer eines Validierungsringversuchs mittels des inversen Säulenversuches gewonnen. Insgesamt wurden fünf Elutionen mit Trinkwasser und fünf mit deionisiertem Wasser durchgeführt. Betrachtet man die vorliegenden Ergebnisse, so korrelieren die TOC Konzentrationen der verschiedenen Eluate und die Wirkung im Algentoxizitätstest nicht miteinander. Die toxische Wirkung der Eluate, welche mit deionisiertem Wasser hergestellt wurden, zeigen deutliche Unterschiede im GA-Wert. Deionisiertes Wasser setzt nicht nur mehr organische Inhaltsstoffe frei als Trinkwasser, sondern führt auch zu höheren Toxizitäten und größeren Variationskoeffizienten im Algentest. Trotz abweichender Trinkwasserqualitäten der Teilnehmer (z.B. Gesamthärte, pH-Wert) zeigen die mit Trinkwasser eluierten Polyacrylateluate vertretbare und akzeptable Abweichungen von +/- 1 Verdünnungsstufen (GA-Werte). Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird die Weiterverwendung von Trinkwasser zur Elution von Polyacrylaten und weiteren Bodeninjektionsmitteln aus Sicht der ökotoxikologischen Bewertung empfohlen.

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Jürgen Denonville, Walter Haase, Werner Sobek, Kim Riedmüller, Mathias Liewald
Materialgerechtes Fügen von Faserverbundprofilen. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2925
2015, 173 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer materialgerechten Fügetechnologie für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (FKV), im Speziellen für unidirektektionale Pultrusionsprofile. Die derzeit vorhandenen Fügetechnologien für die leichten und leistungsfähigen Faserverbundprofile sind auf der Baustelle entweder nicht umsetzbar (z.B. Kleben) oder ineffizient (z.B. Lochleibung). Das große Potential der FKV im Hinblick auf Materialersparnis, CO2- und Massenreduktion sowie deren herausragende statische Eigenschaften können im Bauwesen bislang noch nicht ausgeschöpft werden. Der in diesem Projekt untersuchte Lösungsansatz sieht vor, die Polymermatrix des FKV in den Knotenpunkten der Lastübertragung / Lastausleitung durch eine metallische Matrix zu ersetzten. Somit sind die finalen Bauteile in einem Teilbereich Faser-Metall-Verbunde (oder auch Metall Matrix Composites (MMC)) und ansonsten FKV. Die Verbindung der Teilbereiche erfolgt über die durchgehenden Fasern. Innerhalb des MMC-Bereichs besteht nun die Möglichkeit deutlich höhere Tragfähigkeiten für Lochleibungsverbindungen zu erzielen. Darüber hinaus sind Schweißverbindungen denkbar. Im Rahmen des Projekts wurde ein Herstellungsverfahren entwickelt, das auf dem Thixo-Schmiedeverfahren basiert und es ermöglicht auf endlos lange Carbon- oder Glasfasern partiell eine Aluminiummatrix aufzubringen. Die mittels diesem Verfahren hergestellten Halbzeuge wurden zu Endbauteilen weiterverarbeitet und hinsichtlich ihrer mechanischen und tragstrukturellen Eigenschaften geprüft und bewertet. Die auf dem aktuellen Entwicklungsstand herstellbaren Bauteile ergaben sehr vielversprechende Ergebnisse.

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K. Berner, A. Kurpiela
SwichCore - Entwicklung eines neuen brandfesten Kernwerkstoffs für Sandwichpaneele im Bauwesen
Bauforschung, Band T 3210
2009, 106 S., zahlr. Abb., 15 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung neuer brandfester Kernmaterialien für Sandwichelemente. Hierbei hat sich das Forschungskonsortium auf die Entwicklung von Hartschäumen auf Resolharzbasis und zwei Varianten von Hybridschäumen auf EPS-Basis konzentriert. Für diese Materialen wurden umfangreiche Versuchsreihen zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften und des Brandverhaltens durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass hinsichtlich mechanischer Materialeigenschaften alle im Projekt entwickelten und untersuchten Schäume als Kernwerkstoffe für Sandwichelemente direkt, ohne weitere Verbesserung, eingesetzt werden können. Bei der Verwendung dieser Materialien als Kernschichten für Sandwichelemente bestehen hinsichtlich Wärmedämmung und Umweltverträglichkeit ebenso keine Einwände. Die während der Forschungsarbeiten durchgeführten Brandversuche zeigen eine positive Entwicklungsrichtung der Materialien bezüglich der Brandfestigkeit. Vor allem für das im Forschungsprojekt vornehmlich untersuchte Kernmaterial aus Resolschaum wie auch für das SIAC Material, bestehen sehr gute Aussichten, dass diese beiden Materialien nach weiteren kleineren Entwicklungsschritten schon in naher Zukunft als Kernwerkstoffe für Sandwichelemente großtechnisch eingesetzt werden können. Der Vorteil des Resolschaums liegt darin, dass dessen Brandverhalten gegenüber Materialien mit vergleichbarer Wärmedämmung (zum Beispiel Polyurethan) günstiger ist, insbesondere bei der Rauchentwicklung, die ein wichtiges Kriterium bei der Klassifizierung des Brandverhaltens darstellt. Das erwünschte Endergebnis hinsichtlich des Feuerwiderstandsverhaltens von Bauteilen mit den untersuchten Kernmaterialien wurde zwar nicht voll erreicht, viel wichtiger ist aber, dass Grundlagen für weitere, viel versprechende Untersuchungen und Entwicklungen gelegt wurden und die Untersuchung und Entwicklung sowohl im Bereich des Resolschaums als auch im Bereich der Hybridschäume - vor allem für das SIACMaterial fortgesetzt wird. Die brandfeste

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Zeitschriftenartikel

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Hotze, Dagmar
Gestern Schutt, morgen Ressource. Nachhaltigkeit (kostenlos)
Bundesbaublatt, 2020

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Lessel, Kerrin
Haftbrücken: Ist schlampig besser? Sachverstand
Ausbau + Fassade, 2018

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Elert, Hagen
Raumklimatisch starke Variante. Deckensysteme
Ausbau + Fassade, 2018

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Hillmann, Roderich
Verwertung von Ersatzbaustoffen - Standpunkte im Straßenbau
Straße + Autobahn, 2017

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Reichel, Toni
Vom Lebendigen. Alternative Baumaterialien
Fassadentechnik, 2017

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