02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Editorial - transformable structures and envelopes in architecture and civil engineering(2023) Phocas, Marios C.; Matheou, MariaItem Open Access 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, MathiasMit 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.Item Open Access 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 deWhen 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.Item Open Access A novel transformation model for deployable scissor-hinge structures(2010) Akgün, Yenal; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.)Primary objective of this dissertation is to propose a novel analytical design and implementation framework for deployable scissor-hinge structures which can offer a wide range of form flexibility. When the current research on this subject is investigated, it can be observed that most of the deployable and transformable structures in the literature have predefined open and closed body forms; and transformations occur between these two forms by using one of the various transformation types such as sliding, deploying, and folding. During these transformation processes, although some parts of these structures do move, rotate or slide, the general shape of the structure remains stable. Thus, these examples are insufficient to constitute real form flexibility. To alleviate this deficiency found in the literature, this dissertation proposes a novel transformable scissor-hinge structure which can transform between rectilinear geometries and double curved forms. The key point of this novel structure is the modified scissor-like element (M-SLE). With the development of this element, it becomes possible to transform the geometry of the whole system without changing the span length. In the dissertation, dimensional properties, transformation capabilities, geometric, kinematic and static analysis of this novel element and the whole proposed scissor-hinge structure are thoroughly examined and discussed. During the research, simulation and modeling have been used as the main research methods. The proposed scissor-hinge structure has been developed by preparing computer simulations, producing prototypes and investigating the behavior of the structures in these media by several kinematic and structural analyses.Item Open Access Constrained motion design with distinct actuators and motion stabilization(2021) Sachse, Renate; Geiger, Florian; Bischoff, ManfredThe design of adaptive structures is one method to improve sustainability of buildings. Adaptive structures are able to adapt to different loading and environmental conditions or to changing requirements by either small or large shape changes. In the latter case, also the mechanics and properties of the deformation process play a role for the structure's energy efficiency. The method of variational motion design, previously developed in the group of the authors, allows to identify deformation paths between two given geometrical configurations that are optimal with respect to a defined quality function. In a preliminary, academic setting this method assumes that every single degree of freedom is accessible to arbitrary external actuation forces that realize the optimized motion. These (nodal) forces can be recovered a posteriori. The present contribution deals with an extension of the method of motion design by the constraint that the motion is to be realized by a predefined set of actuation forces. These can be either external forces or prescribed length chances of discrete, internal actuator elements. As an additional constraint, static stability of each intermediate configuration during the motion is taken into account. It can be accomplished by enforcing a positive determinant of the stiffness matrix.Item Open Access Insect habitat systems integrated into façades : impact on building physics and awareness of society(2020) Meier, Linda; Raps, Johanna; Leistner, PhilipDeforestation, intensive farming and the sealing of green spaces are considered to be the main reasons for the global decrease of biodiversity. In this context, the built environment, and in particular vertical surfaces, are still highly underestimated and need to be taken into account. Although it is acknowledged that greened surfaces have beneficial effects, for example, on the microclimate, the vast majority of buildings are still not biodiversity-friendly. Artificial nesting boxes help birds and bats adapt to the change of their habitats. However, insects, with their tremendous significance for insectivorous species and for humans, are mostly neglected or even threatened. The purpose of this holistic approach is to investigate interactions between integrated insect habitat systems in façades and building physical aspects to create test objects. Heat transfer coefficients, thermal bridges, and the risk of condensation inside the buildings were simulated in different arrangements of nesting boxes for wild bees. As a result, conclusions on heat and humidity protection in ventilated façades and external thermal insulation composite systems could be drawn. The following results showed the maintenance of indoor comfort and energy efficiency as well as a low risk of mold. Further investigations analyzed the sound reduction index and fire protection. From a building physical point of view, integrated insect habitat systems could be part of the constructed environment and even link inner-city biotopes. Further challenges and opportunities are identified rather at a socio-ecological and technical level. Without taking into account the civil society and ecological demands of the various species, habitat systems for insects will miss their objectives. Special focus will be put on the skepticism and lack of knowledge of people, as well as on the comfort of the insects.Item Open Access Performance-oriented design and assessment of naturally ventilated buildings(2021) Sakiyama, Nayara R. M.; Garrecht, Harald (Prof.)A high-performance building must fulfill comfort and energy efficiency requirements. Possible solutions include passive strategies, such as improving the building envelope and taking advantage of natural light and ventilation. Natural ventilation (NV), for instance, can provide both thermal comfort and energy savings. However, its performance relies on building design and interaction with the local environmental characteristics. In this study, Natural Ventilation Potential (NVP) was analyzed under two approaches: a general evaluation using meteorological data and a specific investigation through building simulation, using an experimental house as a reference case located in a temperate climate with warm summer. Although there are many parameters and metrics applied in assessing NVP, predicting building air change rates (ACH) and airflows is a challenge for designers seeking to deal with this passive strategy. Among the methods available for this task, Computational Fluid Dynamics (CFD) appears as the most compelling, in ascending use. However, CFD simulations have high computational costs, besides requiring a range of settings and skills that inhibit its wide application. Therefore, a pragmatic CFD framework to promote wind-driven assessments through 3D parametric modeling platforms was proposed as an attractive alternative to enable the tool application. The approach addresses all simulation steps: geometry and weather definition, model set-up, control, results edition, and visualization. Besides, it explores alternatives to display and compute ACH and parametrically generates horizontal planes across the spaces to calculate surface average air velocities. Usually, network models throughout Building Energy Simulation (BES) are the most employed NV investigations approach, especially in annual analysis. Nevertheless, as the wind is a significant driving force for ventilation, wind pressure coefficients (Cp) represent a critical boundary condition when assessing building airflows, influencing BES models’ results. The Cp values come from either a primary source that includes CFD simulations or a secondary one where the primary is considered the most reliable. In this sense, a performance metric was proposed, namely the Natural Ventilation Effectiveness (NVE). It verifies when outdoor airflows can maintain indoor temperatures within a comfortable range. The metric uses BES results, and within this context, the impact of five different Cp sources on its outputs was investigated. Three secondary sources and surface-averaged Cp values calculated with CFD for both the whole façade and windows were considered. The differences between the CFD Cp values are minor when wind direction is normal to the surface, with more significant discrepancies for the openings close to roof eaves. Although there was considerable variance among the Cp sources, its effect on the NVE was relatively small. Additionally, when designing high-performance buildings for cold climates, efficient insulating systems are encouraged since they help reduce heat losses through the building envelope, thus promoting building energy savings. Still, climate exposure deteriorates material properties, compromising a building’s energy performance over its lifetime. Therefore, this aging impact on the hygrothermal performance of an aerogel-based insulating system was investigated through a large-scale test, U-Value measurements, and heat and moisture transfer (HMT) models, calibrated with the experimental data. A low thermal conductivity degradation was measured after the tests, showing that its effectiveness is not harshly compromised throughout its life-cycle. Finally, this research performed parametric modeling and optimization to minimize annual building energy demand and maximize NVE. The workflow was divided into i) model setting, ii) sensitivity analyses (SA), and iii) multi-objective optimization (MOO), with a straightforward process implemented through a parametric platform. Input variables dimension was firstly reduced with SA, and the last step ran with a model-based optimization algorithm (RBFOpt). MOO results showed a remarkable potential for NV and heating energy savings. The design solutions could be employed in similar typologies and climates, and the adopted framework configures a practical and replicable approach for design approaches aiming to develop high-performance buildings through MOO.Item Open Access Branding im Industriebau am Beispiel der Automobilfertigung : eine gebäudetypologische Betrachtung(2009) Schönbeck, Dewi; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)In der Automobilbranche nimmt das so genannte Branding zur Schaffung einer unverwechselbaren Markenidentität einen immer höheren Stellenwert ein. Dabei stellt auch die Architektur eines Unternehmens ein Medium zur Vermittlung von Markenwerten dar, das ein dreidimensionales, räumlich erfahrbares Markenerlebnis bietet. Gerade beim Lifestyle-Produkt Auto tritt die ursprüngliche Transportfunktion mehr und mehr in den Hintergrund. Vielmehr will der Kunde damit auch Lebensphantasien, sinnliche Werte und Sozialprestige einkaufen. Umso mehr kann deshalb die Unternehmensarchitektur dieses diffuse Kundenverlangen mit im eigentlichen Sinne begreifbaren Werten ästhetisch umsetzen und damit zu einer innigeren Kundenbindung entscheidend beitragen. Längst haben die Automobilhersteller die Architektur als Medium zur Vermittlung ihrer Markenwerte entdeckt. Beispiele wie der BMW "Vierzylinder" in München, die Autostadt Wolfsburg, das Mercedes-Benz Museum in Stuttgart sowie zahlreiche spektakuläre Mikroarchitekturen im Messebau zeigen, dass das Markenerlebnis durch Architekturerfahrung im Wettbewerb um den Kunden unverzichtbar geworden ist. Der bewusste Einsatz von Markenarchitektur im Industriebau ist jedoch nach wie vor eher ungewöhnlich und nur an vereinzelten Bauten realisiert worden. Pilotprojekte wie die Gläserne Manufaktur in Dresden oder der Zentralbau des BMW Werks in Leipzig geben eine Tendenz zu einer vollkommen neuartigen Gebäudeform im Industriebau vor. Die Automobilfabrik ist bei diesen Projektbeispielen nicht mehr als reine Produktionsstätte zu sehen, in der Mensch und Maschine möglichst effizient zusammenarbeiten, sondern bezieht den Kunden emotional in den Produktionsprozess mit ein. Diese Entwicklung hat zur Konsequenz, dass die Fabrik in Zukunft nicht mehr nur als reine Produktionsstätte fungiert, sondern gleichzeitig als Kunden-Erlebniszentrum gestaltet werden kann. Durch die theoretische Analyse der veränderten architektonischen Anforderungen sowie der Untersuchung von realisierten Beispielen wird in dieser Arbeit eine neuartige, funktionshybride Gebäudetypologie definiert und entsprechende Planungskriterien abgeleitet.Item Open Access Development of a material design space for 4D-printed bio-inspired hygroscopically actuated bilayer structures with unequal effective layer widths(2021) Krüger, Friederike; Thierer, Rebecca; Tahouni, Yasaman; Sachse, Renate; Wood, Dylan; Menges, Achim; Bischoff, Manfred; Rühe, Jürgen(1) Significance of geometry for bio-inspired hygroscopically actuated bilayer structures is well studied and can be used to fine-tune curvatures in many existent material systems. We developed a material design space to find new material combinations that takes into account unequal effective widths of the layers, as commonly used in fused filament fabrication, and deflections under self-weight. (2) For this purpose, we adapted Timoshenko’s model for the curvature of bilayer strips and used an established hygromorphic 4D-printed bilayer system to validate its ability to predict curvatures in various experiments. (3) The combination of curvature evaluation with simple, linear beam deflection calculations leads to an analytical solution space to study influences of Young’s moduli, swelling strains and densities on deflection under self-weight and curvature under hygroscopic swelling. It shows that the choice of the ratio of Young’s moduli can be crucial for achieving a solution that is stable against production errors. (4) Under the assumption of linear material behavior, the presented development of a material design space allows selection or design of a suited material combination for application-specific, bio-inspired bilayer systems with unequal layer widths.Item Open Access 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, JohannesExisting 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.