02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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    Wassersensible Stadt- und Freiraumplanung : Handlungsstrategien und Maßnahmenkonzepte zur Anpassung an Klimatrends und Extremwetter ; SAMUWA Publikation
    (Stuttgart ; Universität Stuttgart, Institut für Landschaftsplanung und Ökologie, 2016) Deister, Lisa; Brenne, Fabian; Stokman, Antje; Henrichs, Malte; Jeskulke, Michael; Hoppe, Holger; Uhl, Mathias
    Mit dem voranschreitenden Klimawandel (IPCC 2014) werden die schon heute beobachteten Starkregenereignisse, Hitzewellen und Trockenperioden insbesondere die Städte vor neue Herausforderungen stellen. Die zeitgleich zunehmende Urbanisierung und der damit verbundene Anstieg der versiegelten Flächen beeinflusst den Wasserhaushalt und das Abflussregime in den Städten zusätzlich negativ. Damit schwindet die Lebensqualität in einem Großteil der Städte durch häufigere Überflutungsereignisse, sich verschlechterndes Stadtklima, schlechtere Luftqualität sowie fehlender Rückzugsmöglichkeiten ins Grüne. Die Disziplinen der Siedlungswasserwirtschaft und der Stadt- und Freiraumplanung haben im Laufe der Zeit ihre individuellen Herangehensweisen und Instrumente entwickelt, um die genannten Probleme im Einzelfall anzugehen. Um den zukünftigen Veränderungsprozessen (Klimawandel, Demographie,...) und Herausforderungen (Flächenknappheit,...) effizient zu begegnen, ist eine wassersensible Stadtentwicklung mit multifunktionalen Flächennutzungen erforderlich. Dazu bedarf es der Entwicklung integrierter Planungsmethoden, die gesamtstädtische und teilräumliche Überflutungs- und Hitzevorsorgekonzepte mit den verschiedenen Planungsebenen der Stadt-, Verkehrs- und Landschaftsplanung verzahnen (vgl. Stokman 2013, Stokman et al. 2015, Skinner 2016). Ziel muss also sein, die Herangehensweisen, Instrumente, Modelle und Planungswerkzeuge der beteiligten Disziplinen aufeinander abzustimmen und einander zugänglich zu machen. Vorgehensmodell für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit Der vorliegende Leitfaden ist das Produkt des Teilprojekts C.1 „Freiraumplanerische Gestaltungsstrategien“ des BMBF-Forschungsprojekts „Die Stadt als hydrologisches System im Wandel – Schritte zu einem anpassungsfähigen Management des urbanen Wasserhaushalts“ (SAMUWA). Er soll einen Prozess zur Erstellung eines „Wasserplans“ als Leitbild einer wasserbezogenen Stadtentwicklung aufzeigen, der die Zusammenarbeit der oben genannten Disziplinen ermöglicht. Dabei wird je nach Ausgangssituation das siedlungswasserwirtschaftliche Simulationstool WABILA (Fokus auf eine ausgeglichene Wasserbilanz)oder DYNA/ GeoCPM (++ Systems) (Fokus Überflutungsvorsorge) für die Entwicklung integrierter Strategien und konkreter Maßnahmenkonzepte genutzt. Das Wasserbilanzmodell WABILA ermöglicht eine vereinfachte Bilanzierung des urbanen Wasserhaushalts. Durch den Vergleich der mittleren Jahreswerte des Oberflächenabflusses, der Grundwasserneubildung und der Verdunstung des bebauten Zustands mit denen des unbebauten Zustands können Defizite im Wasserhaushalt identifiziert und konkrete Maßnahmen des Regenwassermanagements geplant werden. Derart entwickelte Maßnahmen berücksichtigen, wie im aktuellen DWA-A 102 (2016) gefordert (vgl. Henrichs et al. 2016) den lokalen, natürlichen Wasserhaushalt mit seinem jeweils lokalspezifischen Verhältnis zwischen den Hauptkomponenten Abfluss, Versickerung und Verdunstung. Mit Hilfe des Programmsystems DYNA/ GeoCPM lassen sich bidirektional gekoppelte 1D/ 2D Kanalnetz- und Oberflächenabflussmodelle aufbauen, mit denen Fließwege, Fließgeschwindigkeiten und die Ausbreitung von Starkregenabflüssen berechnen werden können (Gefährdungspotenzial). Durch die anschließende Überlagerung der ermittelten Gefährdungszonen mit Flächen- und Gebäudenutzungen sowie Infrastruktureinrichtungen (Schadenspotenzial) können die Auswirkungen von Überflutungen und damit das jeweils bestehende Risikopotential unterschiedlicher Stadträume ermittelt werden (vgl. BWK/ DWA 2013). Die jeweiligen siedlungswasserwirtschaftlichen Ergebnisse werden mit einem wasserbezogenen städtebaulichen Leitbild (dem Wasserplan) überlagert. Das Leitbild schlägt eine grundlegende städtebauliche Entwicklungsrichtung vor und berücksichtigt dabei bereits räumliche Potentiale für die Regenwasserbewirtschaftung bzw. Überflutungsvorsorge in Verbindung mit dem städtischen Freiraumsystem im Sinne einer integrierten Gesamtkonzeption. Darüber hinaus bezieht es weitere Anforderungen und Aspekte wie z. B. Überflutungshotspots, Hitzeinseln, Lärm und Luftqualität ein. Disziplinübergreifend werden aus der Überlagerung der wasserwirtschaftlichen und stadträumlichen Betrachtung resultierende Fokusgebiete als prioritäre Handlungsräume für die Maßnahmenplanung diskutiert und festgelegt. Dabei spielt eine Akkumulation von Handlungsbedarfen der einzelnen Fachplanungen eine Rolle, um möglichst große Synergieeffekte ausnutzen zu können. Für die Fokusgebiete können im Zusammenspiel von räumlichen Gestaltungskonzepten und deren Simulation/Überprüfung durch die siedlungswasserwirtschaftlichen Werkzeuge multifunktionale Maßnahmen- und Gestaltungskonzepte entworfen und iterativ optimiert werden. Den beiden Vorgehensmodellen inhärent ist eine andere Lesart der Stadt, die darauf abzielt, die Landschaft mit ihrem natürlichen Wasserhaushalt und der naturräumlichen Ordnung als „Gesetz“ der Stadtentwicklung zu betrachten, wie schon Walter Rossow es forderte (Daldrop-Weidmann 1991). Ermöglicht wird dies durch ein koordiniertes Vorgehen und einen abgestimmten Austausch von Informationen, Daten, Entwürfen und Simulationsergebnissen, sowie einer gemeinsamen Maßnahmenplanung an der interdisziplinären Schnittstelle zwischen Siedlungswasserwirtschaft und Stadt- und Freiraumplanung. Das fünf Schritte umfassende, übertragbare Vorgehensmodell wird bezogen auf zwei Modellgebiete in Gelsenkirchen und Wuppertal angewendet und die Methodik detailliert beschrieben und illustriert.
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    Design for and from disassembly with timber elements : strategies based on two case studies from Switzerland
    (2023) Grüter, Cäsar; Gordon, Matthew; Muster, Marcel; Kastner, Fabian; Grönquist, Philippe; Frangi, Andrea; Langenberg, Silke; Wolf, Catherine de
    When a timber building gets disassembled and its elements either are burned or biodegrade, the carbon stored in the timber structure gets released to the atmosphere as CO2. Reusing timber elements prevents this process from happening and thus delays the global warming caused by greenhouse gas emissions. Even if there is a long historic tradition of timber reuse in Switzerland, currently a low fraction of a timber building’s elements is being reused after its disassembly. In this study, strategies that could facilitate circular use of timber elements are analyzed. The focus lies on the design process, which is investigated from two perspectives: strategies at the start-of-life of buildings to enable new timber element cycles to emerge (design for disassembly, or DforD), and strategies at the end-of-life of buildings to keep existing timber elements cycles closed (design from disassembly, or DfromD). Two case studies of recently completed multi-story timber-hybrid buildings in Switzerland were analyzed from both perspectives. Regarding DforD, a scoring system was developed that assesses single elements according to their disassembly and reuse potential. Regarding DfromD, a building design optimization tool was created that takes dimensional design tolerances of a building as an input and proposes a procurement-optimized and structurally safe arrangement of reused elements, which are taken from an inventory that is based on the two case studies. It was found that connections between reinforced concrete and timber parts play a crucial role in terms of DforD and that building layouts with DfromD elements may vary widely according to the chosen optimization variable. In conclusion, both applications have the potential to scale up the competitiveness of reused elements.
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    Probabilistic life-cycle assessment of service life extension on renovated buildings under seismic hazard
    (2020) Di Bari, Roberta; Belleri, Andrea; Marini, Alessandra; Horn, Rafael; Gantner, Johannes
    Existing buildings can reach a performance enhancement and extend their nominal service life through renovation measures such as seismic rehabilitation. In particular, when buildings have almost exhausted their service life, seeking an optimal solution should consider whether costs and environmental effects are worthwhile, or new construction is preferred. In this paper, a methodology to consider seismic hazard into probabilistic approaches for life-cycle analyses is presented considering the possibility of structural enhancement over an extended building lifespan. A life-cycle-based decision support tool for building renovation measures is developed and applied to a selected case study. Unlike standard “static” analyses, which in this work show shortcomings by underestimating impacts of vulnerable buildings, such an approach brings out environmental and economic advantages of retrofit measures designed to improve the structural performance.
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    New perspectives in architecture through transformable structures : a simulation study
    (2023) Matheou, Maria; Phocas, Marios C.; Christoforou, Eftychios G.; Müller, Andreas
    Structures enabling transformability of buildings, components and materials at different levels gain significance in view of a sustainable built environment. Such structures are capable of obtaining different shapes in response to varying functional, environmental or loading conditions. Certain limitations of classic tensegrity and scissor-like structures, applied so far in an architectural and engineering context, are attributed to a limited number of possible configurations and a big number of actuators required. In this context, rigid-bar linkages offer a promising alternative with regard to constructability, modularity, transformability and control components integration. In achieving improved flexibility and controllability with a reduced number of actuation devices, a kinematics principle has been previously proposed by the authors that involves the reduction of the system to an externally controlled one degree-of-freedom mechanism in a multistep transformation process. The paper presents application of the kinematics principle in two classes of a transformable spatial rigid-bar linkage structure. Investigation of the system kinematics was conducted using parametric associative design. The kinematics principle is applied on a torus-shaped spatial structural system composed of planar interconnected linkages. Alternative motion sequences of multiple transformation steps by the planar linkages can be implemented for the stepwise adjustment of the joints to their desired values. The actuators employed are positioned at the ground supports and are detached from the main structural body. Thus, minimum structural self-weight, simplicity and reduced energy consumption become possible. The transformation approaches using parametric associative design are exemplified based on a selected motion sequence pattern. The case study demonstrates the high degree of control flexibility and transformability of the system.
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    The 10th International Conference on Life Cycle Management 2021 : Stuttgart, Germany, September 05-08, 2021
    (2021) Fischer, Matthias; Barkmeyer, Mercedes; Albrecht, Stefan; Braune, Anna; Leistner, Philip; Seifert, Rainer; Kreissig, Johannes