Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
214 results
Search Results
Item Open Access Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports in gefügedichten Betonen(2021) Stelzner, Ludwig; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)Beton, insbesondere hochfester Beton, neigt im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und im schlimmsten Fall zu einem Bauteilversagen führen können. Als Ursache für explosionsartige Betonabplatzungen werden gegenwärtig thermohydraulische sowie thermomechanische Schädigungsprozesse angesehen. Zur Analyse der thermohydraulischen Schädigungsprozesse ist die Kenntnis der ablaufenden Transport-, Umlagerungs- und Freisetzungsprozesse des im Beton vorhandenen Wassers von zentraler Bedeutung. Daher liegt der Fokus der vorliegenden Dissertation auf der zerstörungsfreien Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports sowie der Feuchteumlagerung in Hochleistungsbeton (HPC). Insbesondere zielt die Arbeit auf den zerstörungsfreien Nachweis der Ausbildung einer Feuchteakkumulationszone im Betoninneren infolge der einseitigen thermischen Beanspruchung, entsprechend der „moisture clog“-Theorie, ab. Die experimentellen Arbeiten umfassen dabei Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen, die zerstörungsfreie Verfolgung der Feuchteverteilung in miniaturisierten Prüfkörpern und die ergänzenden Baustoffuntersuchungen. Der Schwerpunkt liegt auf der Verfolgung der Feuchteverteilung und Feuchteumlagerung im miniaturisierten Prüfkörper mittels unterschiedlicher zerstörungsfreier Prüftechnik. Im Rahmen der Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen wurde sowohl die Abplatzneigung der verwendeten Betonrezeptur als auch die Wirksamkeit einer Polypropylenfaserzugabe zur Vermeidung derartiger Abplatzungen nachgewiesen. Neben der visuellen Begutachtung der Prüfkörperoberflächen vor und nach der Brandbeanspruchung erfolgte ein Zustands- und Schadensmonitoring während der Brandversuche mit verschiedenartigen, zerstörungsfreien Prüftechniken sowie die Analyse der äußeren und inneren Gefügeveränderungen nach dem Brand. Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsprozesse konnten während der Brandversuche nur anhand des über Risse aus den Prüfkörpern austretenden Porenwassers vermutet werden. Aufschluss über den Feuchtezustand im Prüfkörper nach dem Brandversuch lieferten die begleitend durchgeführten Radarmessungen. Mithilfe dieser konnte ein zusätzlicher Reflektor im Prüfkörper horizontal zur brandbeanspruchten Oberfläche erfasst werden, der auf einen Permittivitätssprung infolge der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationsfront im Prüfkörper zurückgeführt wird. Zur Verifizierung der Ergebnisse der Radarmessungen wurde zusätzlich an einem aus den Brandprüfkörpern gewonnenen Segment die Permittivitätsverteilung über die Prüfkörpertiefe mittels eines Feuchtigkeitsmessgeräts bestimmt. Die Messungen bestätigten den vermuteten Permittivitätssprung, der mit der Ausbildung einer Trocknung- und Dehydratationsfront einhergeht. Im Rahmen der Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports an miniaturisierten Prüfkörpern mittels verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik wurden die Feuchtetransportvorgänge und Feuchteumlagerungsprozesse mittels Röntgen-Computer Tomographie und Neutronen-Computer Tomographie simultan zur einseitigen Erwärmung sowie mittels 1H-Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR) vor und nach der Erwärmung verfolgt. Grundlage für die durchgeführten Untersuchungen bildet der entwickelte miniaturisierte Prüfkörper mit zweischaliger Umhüllung. Die Kombination aus Glaskeramik- bzw. Invarumhüllung und einer Dämmschale aus Hochtemperaturaluminiumsilikatwolle ermöglicht die Abbildung eines einseitig erwärmten, flächigen Bauteils in miniaturisierter Form unter Einhaltung der thermischen, hygrischen und mechanischen Randbedingungen. Aus den Ergebnissen der simultan zur Erwärmung durchgeführten tomografischen Untersuchungen können folgende Rückschlüsse auf die Feuchteverteilung und den thermisch induzierten Feuchtetransport gezogen werden: - Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone ausgehend von der erwärmten Betonseite - Die erfasste Trocknungs- und Dehydratationsfront ist durch einen starken Feuchtegradient im Beton gekennzeichnet. - Eine Feuchteakkumulation tritt unmittelbar vor der Trocknungs- und Dehydratationsfront auf und geht mit einer teilweisen Vollsättigung der sichtbaren Makroporen des Betons einher. - Eine Polypropylenfaserzugabe führt zu einer schnelleren und tieferen Entwicklung der Trocknungs- und Dehydratationszone. - Die Faserzugabe verringert die Feuchteakkumulation während der Erwärmung, kann sie jedoch nicht verhindern. Auf Basis der tomografischen Untersuchungen konnten die örtlich und zeitlich aufgelösten Feuchtedifferenzen erstmals quantitativ abgeschätzt werden. Die begleitend zur Erwärmung durchgeführten 1H-NMR Messungen erlauben die vergleichende Betrachtung der Feuchteverteilung im miniaturisierten Prüfkörper vor und nach der Erwärmung im abgekühlten Zustand. Neben der tiefenaufgelösten Ermittlung des erfassbaren Feuchtegehalts wurde zusätzlich die Feuchteverteilung anhand der transversalen Relaxationszeit (T2-Zeit) porengrößenabhängig analysiert. Dabei wurde erstmals gezeigt, dass es neben der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone zu einer Feuchteakkumulation und einer Feuchteumlagerung von den Mikroporen zu den Mesoporen in tieferen Prüfkörperbereichen kommt. Diese Umlagerungsprozesse umfassen den Gelporen- und Interhydratporenbereich. Es wird vermutet, dass diese Umlagerungsprozesse im Zusammenhang mit der thermisch bedingten Änderung der Mikrostruktur stehen. Sowohl der erfassbare Gesamtfeuchtegehalt als auch die T2-Zeit abhängigen Feuchtegehalte wurden mittels Referenzproben quantifiziert. Im Rahmen der ergänzenden Baustoffuntersuchungen wurde die temperaturabhängige Feuchtetransport- und Feuchtespeicherkapazität sowie das temperaturabhängige Dehydratationsverhalten des verwendeten Betons charakterisiert. Die Permeabilitätsmessungen an verschiedenartig temperierten Betonzylindern verdeutlichen die Zunahme der Gaspermeabilität mit zunehmender Konditionierungstemperatur. Signifikant zeichnet sich dabei die sprunghafte Erhöhung der Permeabilität der Faserbetone beim Erreichen der Faserschmelztemperatur ab. Dies erklärt die zerstörungsfrei ermittelte, beschleunigte Feuchteabgabe der Faserbetone während der einseitigen Erwärmung. Neben der Permeabilität nimmt mit zunehmender Temperaturbeanspruchung ebenfalls die Gesamtporosität der Betone zu. Die Änderung der Porosität geht dabei mit einer Abnahme der Gelporen im Größenbereich von Ø 4-10 nm und einer Zunahme und Vergröberung der Poren im Kapillarporenbereich (Ø 10-400 nm) einher. Diese Porenstrukturänderungen sind auf die einsetzende Dehydratisierung und Zersetzung der Zementsteinphasen zurückzuführen. Zur Charakterisierung des Trocknungs-, Dehydratations- und Zersetzungsverhaltens des untersuchten Betons wurden thermogravimetrische Untersuchungen an zermahlenen Betonproben durchgeführt. Dabei zeichneten sich drei Temperaturbereiche mit erhöhtem Masseverlust ab. Diese können der Abgabe des physikalisch gebundenen Wassers und der ersten Dehydratation der C-S-H Phasen, der Zersetzung des Portlandits sowie der Entsäuerung des vorhandenen Calciumcarbonats zugeordnet werden. Die Interaktion zwischen dem temperaturabhängigen Trocknungs- und Dehydratationsverhalten und der Permeabilität des Betongefüges spielt für die Feuchtefreisetzung und die Feuchteabgabe eine zentrale Rolle. Aus diesem Grund wurden zusätzlich Erwärmungsversuche an Betonzylindern durchgeführt und der Masseverlust der Prüfkörper kontinuierlich gemessen. Die Faserbetone wiesen dabei ab dem Erreichen der Faserschmelztemperatur einen verstärkten Masseverlust auf. Dieser wird auf die verstärke Feuchteabgabe infolge der Permeabilitätserhöhung zurückgeführt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für die Analyse des thermohydraulischen Schädigungsmechanismus sowohl der Feuchtetransport, die Feuchteumlagerung als auch die temperaturabhängige Feuchtefreisetzung eine entscheidende Rolle spielen.Item Open Access Alternative Korrosionsschutzsysteme für Verbindungsmittel in der Befestigungstechnik bei Anwendung im Außenbereich(2019) Köse, Cenk; Nürnberger, Ulf (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)In der Bautechnik werden Verbindungsmittel für eine Anwendung im Außenbereich aus optischen und/oder sicherheitstechnischen Gründen bevorzugt aus nichtrostendem Stahl eingesetzt. Diese bisherige nahezu ausschließliche Verwendung von nichtrostendem Stahl ist jedoch aus korrosionstechnischer Sicht nicht immer nachvollziehbar und eine Verwendung ist häufig auch unwirtschaftlich. Die Aufgabe der hier durchgeführten Forschung bestand deshalb darin, in den letzten Jahrzehnten neu entwickelte Überzüge wie galvanische ZnNi-Überzüge und ZnAl-Lamellenüberzüge auch unter Berücksichtigung von zusätzlichen Passivierungen und Deckbeschichtungen (Topcoats) im Hinblick auf eine Anwendung als Holzschraube im Holzbau, Selbstbohrschraube im Metallbau sowie Spreiz- und Kunststoffrahmendübel im Betonbau, unter Berücksichtigung von möglichen mechanischen Beeinflussungen beim Einbau und korrosiven Beeinflussungen während der Nutzung zu untersuchen. Verbindungsmittel aus nichtrostendem Stahl sowie feuerverzinktem und galvanisch verzinktem Stahl wurden zum Vergleich ebenfalls untersucht. Denn letztlich war es auch Ziel der Untersuchungen festzustellen, ob und wenn ja, unter welchen Außenanwendungen ein Schutz durch Zinküberzüge und die derzeit offerierten ZnNi-Überzüge und ZnAl-Lamellenüberzüge die erheblich teureren nichtrostenden Stähle ersetzen können. Anderseits galt es zu klären, ob bei den „legierten“ metallischen Überzügen auch unter baupraktischen Umgebungsbedingungen eine deutliche Verbesserung der Schutzwirkung gegenüber den herkömmlichen Verzinkungen (galvanische Verzinkung, Feuerverzinkung) besteht. Kleinteile wie Verbindungsmittel sind wirtschaftlich nur in Trommeln mit den genannten Überzügen zu schützen. Deshalb stand die sog. „Trommelware“ im Vordergrund der Untersuchungen. Seitens der Beanspruchung wurde die Korrosionsschutzwirkung der genannten Schutzsysteme unter bautechnisch relevanten Bedingungen wie Konstantklima (20 °C und etwa 84 bzw. 100 % relative Luftfeuchte), bei Auslagerung unter atmosphärischen Bedingungen (Stadtatmosphäre, Meeresatmosphäre) sowie in einem Kurzbewitterungstest (Salzsprühtest) vergleichend festgestellt. Der Salzsprühtest deshalb, weil in der Korrosionsschutztechnik Aussagen zum langzeitigen Korrosionsschutzverhalten der vorgenannten metallischen Überzüge, einschließlich zusätzlicher Passivierungen und Deckbeschichtungen, nahezu ausschließlich aus Ergebnissen von labormäßig durchgeführten Schnelltests, meist aus dem Salzsprühtest, abgeleitet werden. Unter den Korrosionsbedingungen Konstantklima und Naturversuche wurden die Verbindungsmittel stets im eingebauten Zustand ausgelagert. Im Salzsprühtest wurden „nackte“ Proben geprüft, wobei auch mechanische Beanspruchungen, wie sie typisch für den Einbau sind, berücksichtigt wurden. Ergänzend wurden auch die korrosiven Randbedingungen in der umgebenden Außen- und Bohrlochatmosphäre (bei Dübeln) sowie in den verwendeten Baustoffen Holz (Fichte ohne und mit Imprägnierung, Eiche) und Normalbeton untersucht und in die Bewertung einbezogen. Die Ergebnisse der Naturversuche zeigen, dass die Feuerverzinkung insgesamt gesehen im Vergleich zu den anderen Korrosionsschutzüberzügen den besten Korrosionsschutz aufweist. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass bei geeigneter Konzeption galvanischer Zink- und Zink-Nickel-Überzüge sowie ZnAl-Lamellenüberzüge ein langzeitiger Schutz gegenüber Stahlkorrosion erreicht werden kann. Insbesondere in Stadtatmosphäre sind sinnvoll konzipierte Überzüge (siehe unten) im Regelfall ausreichend und können auch nichtrostende Stähle ersetzen. Folgende Anforderungen sind an die genannten Überzüge zu stellen: Beide galvanischen Überzüge müssen eine ausreichende Schichtdicke vorweisen (je nach Umgebungsverhältnisse Schichtdicken um etwa i.M. 10 bis 15 µm), wobei bereits Reinzinküberzüge aus hiesiger Sicht einen langzeitigen Korrosionsschutz bieten. Als Trommelware hergestellte ZnNi-Überzüge sind wegen vorhandener Risse, Abplatzungen und Nullstellen nicht grundsätzlich besser als Zinküberzüge. Für einen langzeitigen Korrosionsschutz bedürfen ZnAl-Lamellenüberzüge, die im Trommelverfahren auf Verbindungsmitteln appliziert werden (hohe Schichtdickenschwankungen, Nullstellen), einen Haftvermittler (galvanische Unterzinkung und/oder Phosphatierung). Weiterhin müssen ZnAl-Lamellenüberzüge eine ausreichende Schichtdicke von etwa i.M. 10 µm vorweisen. Passivierungen und Deckbeschichtungen für galvanische Überzüge sowie Deckbeschichtungen für ZnAl-Lamellenüberzüge führen bei Trommelware zu keiner wesentlichen systematischen Verbesserung des Korrosionsschutzes. Bei den vergleichenden Untersuchungen im Salzsprühtest und im Naturversuch (Stadt- und Meeresatmosphäre) wurde festgestellt, dass die im Salzsprühtest ermittelten Ergebnisse bezüglich der Qualität und Quantität der Schutzwirkung nicht mit dem Korrosionsverhalten unter realistischen Bedingungen (der Baupraxis) übereinstimmen. Die Ursache dieses Verhaltens liegt darin begründet, dass im Salzsprühtest wegen Dauerbefeuchtung und hoher Chloridbelastung der Korrosionsmechanismus gegenüber dem Verhalten in der Baupraxis verändert wird. Das betrifft sowohl den Metallabtrag (Möglichkeit der Bildung von korrosionsschützenden Deckschichten) als auch die Möglichkeit eines kathodischen Korrosionsschutzes (dieser funktioniert nur im Salzsprühtest). Außerdem werden bei Verbindungsmitteln der Bautechnik baustoffseitige und verarbeitungsbedingte Einflüsse (Beschädigungen des Überzuges) im Salzsprühtest nicht ausreichend erfasst. Deshalb ist nach hiesigen Untersuchungen der Salzsprühtest weder geeignet Materialien oder unterschiedliche metallische Überzüge miteinander zu vergleichen, noch hieraus Aussagen für deren Langzeitverhalten unter natürlichen Umgebungsbedingungen abzuleiten. Aus dem Salzsprühtest kann bei als Trommelware hergestellten Überzügen von Verbindungsmitteln u. U. sogar ein falsches Verhalten im Hinblick auf den Langzeitschutz unter natürlichen Umgebungsbedingungen abgeleitet werden.Item Open Access Entwicklung eines Brenners mit Luft- und Brennstoffstufung zur emissionsarmen Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungsanlagen(2018) Barth, Fritz; Baumbach, Günter (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges feuerungstechnisches Konzept zur emissionsarmen Verbrennung von festen Biomassebrennstoffen entwickelt und erprobt. Das feuerungstechnische Konzept grenzt sich gegenüber dem Stand der Wissenschaft und Technik in den folgenden Punkten ab: 1. Kombination von Luft- und Brennstoffstufung durch die räumliche Trennung der Entgasung, der vollständigen Verbrennung des Gas-Luftgemisches und des Abbrands des Entgasungsrückstandes (Primärkoks), 2. Gewinnung eines Reduktionsgases aus der Umsetzung des Primärkokses und Einsatz dieses Reduktionsgases als Stufenbrennstoff (kein Einsatz eines separaten Sekundärbrennstoffs notwendig) sowie 3. Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf ein mit Biomasse befeuertes Brennersystem, d.h. Umstellung von Diffusions- auf Vormischflamme. Zur Evaluierung des entwickelten Feuerungskonzepts wurde ein Brennersystem gebaut und untersucht. Gemäß diesem Konzept wird die Verbrennungsluft dreifach gestuft im Bereich der Entgasung, des Primärkoksabbrandes sowie der Verbrennung des Gasgemisches zugeführt. Als Brennstoffe wurden Pellets aus Stroh- und Getreidereststoffen sowie aus Holz eingesetzt. Für die NOx-Konzentration zeigte sich eine starke Abhängigkeit sowohl von der Gesamtluftzahl als auch von den Teilluftzahlen. Die besten Ergebnisse wurden bei sehr geringem Luftüberschuss erzielt. Die NOx-Konzentration konnte bei Senkung der Gesamtluftzahl von 1,6 auf 1,1 um über 40 % reduziert werden. Bis zu einer Gesamtluftzahl von 1,2 wurden stabil niedrige CO-Emissionen von ca. 40 mg/m³ i.N. (13 Vol.-% O2) ermittelt. Die Partikelkonzentration konnte - verglichen mit den Ergebnissen aus Messungen, die bei anderen Feuerungsanlagen unter Verwendung ähnlicher Brennstoffe durchgeführt wurden - um 50 % reduziert werden. Durch Zugabe des Reduktionsgases kann ebenfalls eine Senkung der NOx-Konzentration erzielt werden. Bei Vorliegen optimaler Bedingungen (Temperatur > 700 °C im Reduktionsbereich, geringer Oxidationsgrad des Primärkokses) konnte die NOx-Konzentration um über 40 % verringert werden. Die Reduktionswirkung des Reduktionsgases war brennstoffübergreifend nachweisbar. Die Möglichkeit der Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf den Versuchsbrenner konnte grundsätzlich bestätigt werden. Die Hauptschwierigkeit in der Umsetzung des Vormischflammenbetriebs lag in der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegas-Luftgemisches in der Mischzone. Zu Beginn der Versuche kam es häufig zum Abreißen der Flamme. Die Häufigkeit der Flammenabrisse konnte nach Einführung eines Flammenhalters reduziert werden, jedoch zeigte sich das Brennersystem im Betrieb mit Vormischflamme weiter sehr instabil bei der Änderung von Betriebsrahmenbedingungen (z.B. Abzug des Primärkokses, Druckschwankungen). Ein langfristig stabiler Betrieb mit Vormischflamme erfordert die Entwicklung einer speziell angepassten Regelung für den Betrieb mit Vormischflamme und die Installation einer Zündeinrichtung für den Fall des Abreißens der Flamme.Item Open Access Modeling of porous polymer membrane formation(2017) Hopp-Hirschler, Manuel; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Porous polymer membranes are used in several separation processes, e.g. in dialysis or in water purification. The morphology of the membrane affects the quality of separation, e.g. selectivity, as well as the mechanical stability of the membrane. To control the morphology of the membrane during the preparation process we first need to understand the mechanism that leads to different pore structures. It is desirable to use a numerical model to predict the pore type and detailed structure. Wet-casting is a very common preparation process for porous polymer membranes where a liquid precipitation agent is used. Herein, a polymer solution and a coagulation bath is brought into contact. After contact the polymer solution is driven into a miscibility gap and starts to phase separate into a polymer lean and a polymer rich phase. Starting from the contact area between polymer solution and coagulation bath a pore structure grows where the polymer rich phase leads to the pore matrix. Although the process is used frequently in the last decades, its mechanism is still not fully understood. Therefore, the motivation in this thesis is to bridge experimental observations from membrane science to theoretical physics where concepts exist to understand the formation of pore structures in porous polymer membranes.Item Open Access Untersuchung von verglasten, adaptiven, vorgespannten Seilfassaden unter Windbeanspruchung(2021) Flaig, Christine; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)In dieser Arbeit wird eine Strategie für die Adaption sowie für die Bemessung von adaptiven, vertikal vorgespannten Seilfassaden mit Seilpaaren unter statischer Windbeanspruchung entwickelt. Aufgrund des nichtlinearen Tragverhaltens von Seiltragwerken wird zwischen Seilkraft- und Verformungsmanipulation differenziert. In Anlehnung an verschiedene Sicherheitskonzepte wird ein Adaptionskonzept erarbeitet, welches sich allgemein auf adaptive Seilfassaden anwenden lässt. Bei diesem Konzept werden drei Modi (A, B und C) mit verschiedenen Böenwindgeschwindigkeitsbereichen für das adaptive Fassadensystem definiert. Modus A: das System ist passiv und der Lastabtrag erfolgt ohne Aktivierung der Aktoren; Modus B: das System passt sich aktiv an die vorherrschende Beanspruchungssituation an, um die Verformungen normal zur Glasebene zu reduzieren; Modus C: das System reduziert aktiv die Seilkräfte, um die Tragfähigkeit des Tragwerks bei außergewöhnlichen Beanspruchungen zu gewährleisten. Dieser Modus garantiert, dass das System bei einem Systemausfall oder eventuellen Störfällen in einen sicheren Zustand überführt wird. Für vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren werden verschiedene Adaptionsmöglichkeiten an einem geeigneten Ersatzsystem (Simulationsmodell) mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert. Dabei wird der Einfluss von Aktoren untersucht, die parallel und senkrecht zur Seilachse angeordnet sind. Des Weiteren werden mehrere Optimierungsziele definiert und das Zusammenwirken der verschiedenen Aktorpositionen wird mittels Sensitivitätsanalyse bewertet. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wird die Adaptionsstrategie für vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren hergeleitet. Mit dieser Strategie können für definierte Böenwindgeschwindigkeiten sowohl die Verformungen normal zur Glasebene auf ein Minimum reduziert werden als auch die Seilkräfte bei Extremereignissen so manipuliert werden, dass die Grenzzugkraft nicht überschritten wird. Das Simulationsmodell wird experimentell validiert. Hierfür werden Versuche zur Verformungsadaption bei Winddruck an einem Prototyp eines adaptiven Fassadenmoduls durchgeführt. Im Rahmen einer Fallstudie werden passive (konventionelle) und adaptive, vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren gegenübergestellt. Die Bemessung der passiven Fassaden erfolgt gemäß den gültigen Normen. Die Bemessung der adaptiven Fassaden erfolgt in Anlehnung an die gültigen Normen und wird entsprechend der Adaptionsstrategie angepasst. Der betrachtete Standort ist Stuttgart. Auf Grundlage von statistischen Methoden wird die Verteilungsfunktion der Böenwindgeschwindigkeit und der Grenzwert der Böenwindgeschwindigkeit für die einzelnen Modi berechnet. Die Grenzwerte werden zur Bemessung der adaptiven Systeme herangezogen. Die Systeme werden hinsichtlich des Tragverhaltens und der energetischen Aspekte miteinander verglichen. Hierbei werden die Verformungen normal zur Glasebene, die Seilkräfte sowie der Materialeinsatz ausgewertet.Item Open Access Integrative Planung und Herstellung von freigeformten Verbundtragwerken aus CFK und Beton(Stuttgart : Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart, 2017) Waimer, Frédéric; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Die geometrische Komplexität von freigeformten Flächentragwerken in der gegenwärtigen Architektur lässt sich kaum noch wirtschaftlich umsetzen. Die Realisierung ist mit hohen Fertigungs- und Planungskosten verbunden und daher nur wenigen Bauvorhaben vorbehalten. Die herkömmlichen Bautechniken, Bauweisen, Materialien und Planungsprozesse sind Ursache für die hohen Kosten. Faserverstärkte Kunststoffe, automatisierte Fertigungsverfahren und digitale Planungsmöglichkeiten scheinen ein hohes Potential zu besitzen, dieser Problematik entgegenzuwirken. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Flächenverbundbauweise, bestehend aus einer verlorenen karbonfaserverstärkten Kunststoffschalung (CFK) und Beton, vorgestellt, die es ermöglicht freigeformte Flächentragwerke effizienter umzusetzen. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Tragverhaltens, der Herstellung der freigeformten verlorenen Schalung und der Planung der Bauweise. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften der entwickelten kraftschlüssigen Verbindung zwischen Schalung und Beton zeigen, dass auf eine Stahlzugbewehrung verzichtet werden kann. Dies erlaubt es einerseits aufwendige Bewehrungsarbeiten zu vermeiden und andererseits die Schalendicke zu verringern. Die Korrosionsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit der CFK-Verbundschalung ermöglicht es dabei, die Bauteile mit einem schlankeren Querschnitt auszuführen. Die Herstellung der Verbundschalung erfolgt durch einen neuen Ansatz in der Faserwickeltechnik. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf der geometrischen Ausbildung des Wickelkerns und der Simulation des Wickelvorgangs mittels computergestützter Berechnungsverfahren. Die Integration von zusätzlichen Fertigungsschritten ermöglicht ein Verfahren, das es erlaubt, freigeformte flächige Bauteile zu fertigen. Das Faserwickelverfahren beschränkt sich bisher auf die Herstellung von Bauteilen mit geschlossenen Querschnittsformen. Die Vorteile des klassischen Verfahrens, wie hoher Faservolumengehalt, geringe Fertigungskosten, kurze Prozesszeiten und hohe Ausführungsqualität, sind dabei weiterhin gegeben. Aufgrund der festgestellten starken Wechselwirkung bei der Planung von Geometrie, Tragwerk und Fertigung, ist für die entwickelte Bauweise eine üblicherweise getrennte und in Reihe geschaltete Bearbeitung der Planungsaufgaben nicht zielführend. Um die Vorteile der Flächenverbundbauweise voll auszuschöpfen, wird in dieser Arbeit abschließend eine integrative Planungs- und Optimierungsstrategie vorgestellt. Diese ermöglicht es, die Eigenschaften von Geometrie, Herstellung und Tragverhalten in ein optimales Verhältnis zu bringen. Die verfolgte Strategie führt zusätzlich zu einer Verkürzung der Planungszeit, einer Reduzierung der Kosten für Planung und Fertigung, sowie einer ästhetischen und ressourcenschonenden Konstruktion. Zur Bestimmung der optimalen Lösung wird ein stochastisches, metaheuristisches Optimierungsverfahren entwickelt, dessen Funktionsweise auf der Nahrungssuche der E-Coli Bakterien beruht.Item Open Access Tragverhalten von Ankerschienen unter Querlast in Schienenlängsrichtung(2017) Schmidt, Tobias; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Ankerschienen können Zugbeanspruchungen sowie Querbeanspruchungen senkrecht zu Schienenachse und in Schienenlängsrichtung über die am Schienenkörper unverschieblich befestigten Anker in den Beton einleiten. Für die Lastrichtungen Zug und Querlast senkrecht zur Schienenlängsachse stehen bereits Lastverteilungsansätze zur Verfügung. Für Ankerschienen unter Querlast in Schienenlängsrichtung wird in der vorliegenden Arbeit das Lastabtragsverhalten bzw. die Verteilung auf die an der Lastabtragung beteiligten Anker geklärt und ein Ingenieurmodell zur Ermittlung der auftretenden Lastanteile vorgestellt.Item Open Access Leaching of fly ash particulate matter in MEA solutions and its relevance to the CO2 capture process with flue gas of coal-fired power plants(2020) Schallert, Bernd; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr.)This study underlines the relevance of leaching of fly ash particulate matter to carbon capture plants and strives for a better understanding of the solubility of various elements and heavy metals, especially Fe, in MEA solutions and of relevant leaching parameters.Item Open Access Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe im Innen- und Außenraum von Gebäuden : beispielhafte Entwicklung(2015) Köhler-Hammer, Carmen; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit stellt Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe in Gebäuden dar. Dies erfolgt an beispielhaften Modifikationen von Polylactid, einem Milchsäurekunststoff, zur Anpassung für eine Innen- und für eine Außenanwendung. Kunststoffe werden in der Architektur aufgrund ihrer mannigfachen Gestaltungsmöglichkeit hinsichtlich Lichtdurchlässigkeit, Farb- und Formgebung oder ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit als Baustoff gewählt und finden in dieser Branche zunehmend Absatz. Die Frage, wie sich Biokunststoffe als Baumaterialien einsetzen lassen, stellt eine zeitgemäße Weiterentwicklung dar. Die Rohstoffsituation lässt es sinnvoll erscheinen, Biomasse vor einer direkten energetischen Verwertung zunächst werkstofflich zu nutzen. Nach Gebrauchsende können biobasierte Werkstoffe, abzüglich ihrer Additive, die nicht auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, klimaneutral verbrannt werden. Für die Entwicklung möglichst transparenter Sandwichplatten zur Raumtrennung in öffentlichen Innenräumen, galt es im Rahmen eines von der DBU geförderten Forschungsprojektes einen biobasierten Kunststoff hinsichtlich seines Brandverhaltens und der Wärmeformbeständigkeit zu optimieren. Die akustisch wirksamen Platten sollen nach der Idee des Projektpartners Nimbus Group auf zwei Halbschalen basieren, deren mikroperforierte Deckschicht spritzgegossen wird. Die Compoundierung von Polylactid (PLA) mit verschiedenen Flammschutzmitteln zeigte, dass nur Triphenylphosphat (TPP) die optischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Durch Zugabe von sieben Gewichtsprozent TPP war es auf Materialebene möglich, ein selbst verlöschendes Compound zu entwickeln und die Brandklasse UL-94-V0 zu erreichen. Einzig durch Erhöhung der Werkzeugtemperatur auf 100 °C und Verlängerung der Kühlzeit von etwa 25 auf 240 Sekunden bei der Formgebung, konnte mit durchschnittlich 80 °C eine ausreichende Wärmeformbeständigkeit (HDT-B) erzielt werden. Diese Maßnahme zur Erhöhung des Kristallisationsgrades von PLA verteuert durch geringere Stückzahlen pro Maschinenstunden die Fertigungskosten. Der Granulatpreis des Compounds hingegen ist konkurrenzfähig. Der Anteil nachwachsender Rohstoffe im modifizierten Polylactid liegt bei über 90 %. Nach einer fast dreijährigen Innenraum-Lagerung hinter Fensterglas zeigen sich die Probekörper farblich gleich. Auch die mechanischen Eigenschaften des PLA-TPP-Compounds bleiben unvermindert. Untersucht man jedoch die Prüfstäbe, die aus oben genannten Gründen einer längeren Verweildauer im Werkzeug bei höherer Temperatur ausgesetzt waren, so zeigt sich die Streckspannung um ca. 23 % und die Streckdehnung um etwa 11 % vermindert. Thermostabilisatoren würden hier das Compound vor Prozesswärme schützen und die Dauerhaftigkeit erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, Polylactid für eine Innenraumanwendung anzupassen. Die Verbesserung des Brandverhaltens und der Wärmeformbeständigkeit unter Berücksichtigung der Lichtdurchlässigkeit ist realisierbar, jedoch unwirtschaftlich. Bei der exemplarischen Modifikation von Polylactid für Fassadenplatten konnte mit den umweltfreundlichen Flammschutzmitteln Ammoniumpolyphosphat (APP) sowie mit rotem Phosphor auf Materialebene jeweils ein schwer entflammbarer Werkstoff konzipiert werden. Während der 18-monatigen Freibewitterung sinkt die Streckdehnung um etwa 12 %. Die Streckspannung nimmt nicht ab. Die mechanischen Eigenschaftsverluste nach der Alterungssimulation durch Globalstrahlung sind in etwa 9 % höher als Polycarbonat (PC). Die untersuchte PC-Type enthält allerdings neben dem Flammschutz bereits einen UV-Stabilisator. Bei PC wurde eine größere Farb- und Glanzänderung durch die künstliche Alterung ermittelt als beim modifizierten Polylactid, welches kein UV-Schutz enthält.Item Open Access Investigations on functional relationships between cohesive sediment erosion and sediment characteristics(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Beckers, Felix; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)