01 Fakultät Architektur und Stadtplanung
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Item Open Access Glasfaserverstärkte Kunststoffe unter hoher thermischer und mechanischer Belastung(2009) Ludwig, Carsten; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten gegenüber konventionellen Materialien mehrere Vorteile, wie zum Beispiel hohe spezifische Festigkeiten, einen guten Korrosionswiderstand und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Mit der steigenden Verwendung von Glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) für Tragstrukturen, wie sie in diversen Projekten eingesetzt wurden, ist es von großer Bedeutung, den Einfluss hoher Temperaturen im Lastfall Brand auf das mechanische Verhalten abschätzen zu können. Dieser fehlende Nachweis schränkt bisher das Applikationspotential als Werkstoff für Tragwerke erheblich ein. Grundsätzlich lassen sich Faserverstärkte Kunststoffe in ihren Eigenschaften durch die Wahl der Faser und Matrix, über den Herstellungsprozess und die Nachbehandlung innerhalb weiter Grenzen variieren. Für die grundlegenden Untersuchungen in dieser Arbeit wurde jedoch nicht angestrebt, einen bestimmten Verbund für möglichst viele Belastungsfälle umfassend zu charakterisieren, sondern es wurden für drei verschiedene Materialkombinationen (E-Glasfaser/ungesättigtem Polyester-, Vinylester- und Phenolharz) die verbundspezifischen Eigenschaften bei erhöhter Temperatur und unter gleichzeitiger mechanischer Biegebeanspruchung erfasst. Als grundlegende Methode zur Werkstoffdatengenerierung von glasfaserverstärkten Kunststoffen wird in dieser Arbeit die Thermische Analyse angewendet. Um die Verbunde so wenig wie möglich zu schädigen, wurden verschiedene Methoden zur Herstellung der Probekörper evaluiert, da diese erheblichen Einfluss auf die Messungen der Thermischen Analyse haben. Durch die thermische Beanspruchung der Verbunde in den Untersuchungen verändern sich sowohl kalorische und thermogravimetrische, als auch mechanische Eigenschaften. Insbesondere der Elastizitätsmodulverlauf gilt als einer der Hauptindikatoren zur Beurteilung der Strukturintegrität bei hohen Temperaturen. Experimentelle Untersuchungen von glasfaserverstärkten Polyesterharzprofilen an einem Kleinversuchsofen zeigen, dass keine Linearität zwischen der Wahl größerer Trägerquerschnitte mit höheren Widerstandsmomenten und einer längeren Feuerwiderstandsdauer besteht. Die Versuche machen Schwächen von GFK-Tragelementen unter Drei-Punkt-Biegung im Druckbereich deutlich, die vierseitig bei hohen Temperaturen beflammt werden. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurden im Weiteren numerische und analytische Modelle generiert. Die auf die thermische Belastung reduzierten numerischen Modellierungen erlauben eine Auswertung des Einflusses der thermischen Kennwerte und die Angabe von groben Empfehlungen für die Versagenszeiträume in Bezug auf ihren Ausnutzungsgrad. Dies führte zur Aufstellung eines analytischen Modells, welches unter Annahme gleichmäßiger allseitiger Erwärmung in Abhängigkeit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von Isothermen gesetzt werden konnte. Eine auf den experimentellen Ergebnissen basierende numerische Ergebnismodellierung mit thermischer und mechanischer Beanspruchung zeigte geringe Abweichungen von den versuchstechnisch ermittelten Werten. Dabei konnte die Gültigkeit eines linear elastischen Werkstoffverhaltens der GFK-Profilträger in Abhängigkeit von der Zeit und innerhalb eines bestimmten Temperaturniveaus als hinreichend genau bestätigt werden.Item Open Access Biegsame Konstruktionen in der Architektur auf der Basis bionischer Prinzipien(2007) Matini, Mohammad-Reza; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Die Verformungsfähigkeiten der neuen Baumaterialien wie zum Beispiel Glas- oder kohlefaserverstärkter Kunststoffe zeigen neue Möglichkeiten für wandelbare Konstruktionen in der Architektur: Konstruktionen, die sich mit Hilfe von Biegsamkeit ihrer Komponenten verformen lassen. Diese Arbeit versucht zu zeigen, wie man diese biegsamen Konstruktionen entwickeln kann. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf Verformungsmechanismen, Verformungsmöglichkeiten und Anwendungsmöglichkeiten dieser Art von wandelbaren Konstruktionen, die besonders aus biegsamen Stäben bestehen. Natürliche Prinzipien werden in der vorliegenden Arbeit als Vorbild geeigneter Mechanismen von biegsamen Konstruktionen betrachtet. Zuerst werden acht passende Vorbilder aus der Natur ausgewählt, die einen Körperteil oder den gesamten Körper eines Tieres oder einer Pflanze betreffen. Für die Übertragung ihrer Prinzipien auf die Architektur wird eine geometrische Methode angewandt. Acht Prinzipien, die von natürlichen Mechanismen hergeleitet sind, werden durch geometrische Modelle abstrahiert. Durch eine schrittweise Modifikation werden acht Grundmuster definiert. Jedes Muster beschreibt einen Mechanismus für die Verformung einer biegsamen Konstruktion in der Architektur. Im nächsten Schritt werden die Grundmuster weiterentwickelt, um verschiedene Möglichkeiten der Verformung durch Anwendung dieser Mechanismen studieren zu können. Damit haben wir verschiedene Varianten der Grundmuster durch ihre Manipulationen, Kombinationen und Anordnungen dargestellt. Diese Varianten präsentieren unterschiedliche Entwurfskategorien für biegsame Konstruktionen, die von acht ursprünglichen Grundmustern abstammen. Die Umsetzung entwickelter Grundmuster in der Architektur wird im letzten Schritt vorgestellt. In dieser Phase haben wir gezeigt, dass drei Gruppen der Anwendungszwecke für diese biegsamen Konstruktionen vorstellbar sind, die sich entweder erweitern können oder mit gleichen Elementen verschiedene Räume kreieren oder sich zur Anpassung an verschiedene Forderungen variieren können. Sie werden durch verschiedene Beispiele demonstriert.