Bachelorthesen

Die Bauindustrie steht vor der Herausforderung, nachhaltigere Materialien und Methoden zu finden, um die Umweltauswirkungen von Bauprojekten zu reduzieren. Eine vielversprechende Option ist die Integration von Papierwerkstoffen in die Bauprozesse. Diese Materialien bieten Potenzial für geringere Umweltauswirkungen, sind jedoch stark von der Wahl des Klebers abhängig, der ihre Festigkeit und Wiederverwendbarkeit beeinflusst. Papierwerkstoffe haben in den letzten Jahren verstärkt Einzug in die Bauindustrie gehalten, da sie eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Baustoffen darstellen. Die richtige Auswahl und Anwendung von Klebstoffen ist jedoch entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Papierwerkstoffen in Bauprojekten. Eine detaillierte Untersuchung der Klebfestigkeit verschiedener Kleber auf Papierwerkstoffen ist von großer Bedeutung, um die Eignung dieser Materialien in der Bauindustrie zu bewerten. Das Hauptziel dieser Thesis ist es, verschiedene Kleberarten auf ihre Klebefestigkeit und Anwendbarkeit auf Papierwerkstoffen zu untersuchen. Durch die Erkenntnisse aus dieser Untersuchung sollen fundierte Empfehlungen für die Auswahl von Klebern in nachhaltigen Bauprojekten entwickelt werden. Dies trägt dazu bei, die Verwendung von Papierwerkstoffen in der Bauindustrie zu fördern und gleichzeitig ökologische Nachhaltigkeit zu gewährleisten.

Gebäudebegrünung hat sich als wirksames Mittel zur Minderung des Urban Heat Island-Effekts erwiesen. Zahlreiche Studien haben den positiven Einfluss von Gründächern und begrünten Flächen auf das städtische Mikroklima belegt. Jedoch ist der Einfluss von Fassadenbegrünung auf das thermische und hygrische Verhalten von Fassaden- bzw. Wandkonstruktionen noch weitgehend unbekannt.

In dieser Arbeit soll der Fokus auf den potenziellen Kühleffekten im Sommer liegen, welche durch die Transpiration der Pflanzen sowie die Verschattung der Bauteiloberflächen entstehen können. Dabei soll der Einfluss von Fassadenbegrünung auf die Transmissionseigenschaften von Wandbauteilen mithilfe numerischer Simulationswerkzeuge untersucht werden. Es sollen Möglichkeiten und Methoden zur Integration von Fassaden-Begrünungselementen in Modelle zur numerischen Bauteilsimulation untersucht werden. Damit soll ein Beitrag zur Vertiefung des Wissens geleistet werden, wie Fassadenbegrünungen nicht nur zur Energieeffizienz, sondern auch zur thermischen und hygrischen Performance von Baukonstruktionen beitragen können.

Trotz vielfältiger Bemühungen, die Flächenversiegelung im urbanen Raum zu reduzieren, ist ein vollständiger Verzicht auf asphaltierte Flächen in naher Zukunft nicht absehbar. In bestimmten Fällen (z.B. notwendige Straßen, Parkplätze vor Krankenhäusern) ist es daher sinnvoll, die versiegelte Fläche bestmöglich zu nutzen. Durch eine thermische Aktivierung der Fläche kann solarthermische Energie abgeführt und genutzt werden. Ein positiver Nebeneffekt ist die Reduktion von städtischen Wärmeinseln.

Im Projekt Innasol wird eine Asphaltfläche mit einer durchströmten porösen Zwischenschicht auf dem Parkplatz eines bestehenden Bürogebäudes hergestellt. Ziele sind die Erhöhung der Lebensdauer des Asphalts, die Vermeidung von Eisbildung im Winter sowie die Nutzung der abgeführten Wärme im Bürogebäude durch aktives Temperaturmanagement. Für die Anbindung an das Bürogebäude ist eine Wärmepumpe in Kombination mit einem Eisspeicher vorgesehen.

In dieser Arbeit soll anhand eines realen Umsetzungsbeispiels die Anbindung des Asphaltkollektors an das Gebäude simulativ abgebildet und untersucht werden.

Bei der dynamischen Bewertung von Eisenbahnbrücken hat besonders im Bereich der Resonanz die Fahrzeug-Brücken-Interaktion einen Einfluss auf die Schwingungsantwort. Für die Anwendung einer vereinfachten dynamischen Strukturanalyse wird das Fahrzeug als eine Reihe von bewegten Lasten betrachtet und mit einer sogenannten Zusatzdämpfung werden die positiven Effekte der Fahrzeug-Brücken-Interaktion berücksichtigt. Die Annahme für die Zusatzdämpfung basiert auf Berechnungen mit zweidimensionalen Mehrkörpermodellen.

Da die Überführung der Zugeigenschaften in ein zweidimensionales Mehrkörpermodell auf Vereinfachungen basiert, sind die Eigenschaften der fahrzeugspezifischen Berechnungsparameter für reale Fahrzeuge mit großer Sorgfalt zu definieren. Hierfür ist eine Einarbeitung in die Grundlagen der Fahrzeugtechnik und der unterschiedlichen Drehgestelltypen von konventionellen Zügen und Gelenkzügen notwendig. Anhand der Fahrzeugkenngrößen realer Fahrzeuge werden die Drehgestelleigenschaften sowie Feder- und Dämpferelemente auf Primär- und Sekundärebene verglichen und die ein Vergleich der Modellierung zur Realität hergestellt.

Glas ist ein allgegenwärtiges Material in modernen technischen Anwendungen, das für seine Transparenz, Stärke und Vielseitigkeit geschätzt wird. Glas ist jedoch von Natur aus spröde, und seine Anfälligkeit für die Entstehung und Ausbreitung von Rissen stellt in strukturellen und sicherheitskritischen Kontexten eine große Herausforderung dar. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von glasbasierten Strukturen und Produkten zu verbessern, ist es daher von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie sich Risse in eingedrückten Glasproben unter anschließender Belastung ausbreiten.

Während die Glasscheiben in konventionellen Gitterschalen typischerweise nur als ausfachende Elemente genutzt werden, kann die Aktivierung des vollen Tragfähigkeitspotenzials von Glas wesentlich dazu beitragen, die Material- und Energieressourcen von Unterkonstruktionen für Glasfassaden zu reduzieren.

In einem aktuellen Forschungsprojekt werden dazu die Integration lokaler und linearer Verbin-dungskonstruktionen in Glastragwerken untersucht, welche dazu beitragen sollen, das statische Potenzial der eingesetzten Glasscheiben besser auszureizen und dadurch den Stahlverbrauch in Unterkonstruktionen auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. Dies soll letztendlich den Bau von transparenten Glaskonstruktionen mit einer großen Vielfalt an Formen und Anwendungen ermöglichen.

Vakuum-Isolierglas (VIG) ist einenergieeffizientes Verglasungssystem. Sein Aufbau (genauer gesagt die Anordnung der Abstandhalter die erforderlich sind, um den hohen Belastungen durch den atmosphärischen Druck (10 Tonnen/m2) standzuhalten) führt jedoch zu komplexen Spannungsverteilungen und hohen lokalen Spannungsgradienten. Dies kann zur Bildung so genannter 'Cone cracks' führen, die sich zu durchgehenden Rissen entwickeln und somit zu einem katastrophalen Versagen dieser Verglasungseinheiten führen können. Bei der Bemessung von VIGs wird in der Regel davon ausgegangen, dass der Kontakt zw. Glas und den Abstandhaltern unbedenklich ist, wenn das Raster in dem die Abstandhalter angeordnet sind begrenzt ist. Untersuchungen verschiedener VIGs zeigen jedoch, dass Risse trotzdem auftreten und das Versagen von einem dieser Abstandhalter ausgehen kann.

Vakuumisoliergläser (VIGs) sind eine innovative Fenstertechnologie mit dem Potenzial, energieeffiziente Gebäude zu revolutionieren. Fenster und transparente Fassadenelemente sind Hauptverursachen von Wärmeverlusten und CO2-Emissionen in Gebäuden. VIGs bestehen aus Glasscheiben mit einem Vakuumzwischenraum, der thermische Effekte minimiert und die Energiebilanz von Gebäudehüllen verbessert. Kleine Abstandhalter im va- kuumierten Scheibenzwischenraum gewährleisten die Stabilität über Jahrzehnte und beeinflussen das Verhalten von VIGs maßgeblich. Die Untersuchung dieses Einflusses und die Entwicklung von Normen für die Verwendung von VIGs sind entscheidend für die Einführung energieoptimierter Fenster- und Fassadensysteme in Deutschland und Europa. VIGs könnten somit einen bedeutenden Beitrag zur Nachhaltigkeit im Bauwesen leisten.

In der Postsiedlung in Darmstadt sind Neubauten und Bestandsgebäude an ein gemeinsames Nahwärmenetz angeschlossen. Während die Neubauten über zentrale Wärmepumpen mit einem Erdwärmesondenfeld als Wärmequelle versorgt werden, wird der Heizwärmebedarf der Bestandsgebäude überwiegend über Blockheizkraftwerke (BHKW) auf einem höheren Temperaturniveau gedeckt. Die Abwärme aus der Abluft und den Abgasen der BHKW wird wiederum zusammen mit der Abwärme aus der passiven Fußbodenkühlung der Neubauten zur Regeneration des Erdwärmesondenfeldes genutzt. Damit soll ein langfristig effizienter Betrieb der Wärmepumpen sichergestellt werden.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Analyse und Optimierung der Regeneration des Erdwärmesondenfeldes und des Kühlbetriebes.

Um den Verbrauch von Rohstoffen, die Produktion von klimaschädlichen Gasen und das Abfallaufkommen zu reduzieren, rückt seit einiger Zeit das Thema Kreislaufwirtschaft in den Vordergrund. Die Kreislaufwirtschaft ist ein ganzheitlicher Ansatz, der darauf abzielt, Rohstoffe und die daraus entstehenden Produkte effizient und so lange wie möglich zu nutzen. Sie umfasst das Reparieren, Wiederverwenden und Recyceln.

Ein großer Anteil des Wärmebedarfs in Neubauten ist auf die Trinkwarmwassererzeugung zurückzuführen. Dabei stellen verschiedene Rahmenbedingungen besondere Herausforderungen bei der Integration erneuerbarer Energien zur Quartiersversorgung dar.

Allgemein gilt: Je niedriger das zu erreichende Temperaturniveau, desto besser lässt sich die Wärmeversorgung mittels regenerativer Energien umsetzen. Für Flächenheizungen reicht in der Regel eine Vorlauftemperatur von 35 °C aus. Aus Hygienegründen muss das Trinkwarmwasser entweder auf 60 °C erhitzt werden, oder es müssen geringe Stillstandszeiten in den Leitungen eingehalten werden.

Bei der Erhitzung des gesamten zur Wärmeversorgung notwendigen Wasservolumens werden erhöhte Wärme- und Exergieverluste in Kauf genommen. Eine Aufteilung in zwei getrennte Systeme ist jedoch kostenintensiv und ggf. nachteilig für die Leitungs- und Speicherverluste.

Geringe Stillstandszeiten können mit Hilfe einer hydraulischen Trennung in jeder Wohnung bewerkstelligt werden. Ein Wärmetauscher sorgt dafür, dass das Leitungsvolumen in der Wohnung weniger als 3 Liter beträgt. Dadurch ist eine niedrige Systemtemperatur möglich. Um dennoch eine komfortable Trinkwarmwassertemperatur für die Mieter:innen zu gewährleisten, kann ein Durchlauferhitzer zum Einsatz kommen. Dieser führt jedoch bei jedem Zapfvorgang einen erhöhten, elektrischen Bedarf mit sich.

Die 3D-Drucktechnologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Kunststoffen, Metallen und sogar Glas. Insbesondere der 3D-Druck von Glasbauteilen hat in jüngster Zeit viel Aufmerksamkeit erhalten, da es ein sehr anspruchsvolles Material ist, das eine spezielle Verarbeitung erfordert.

Am Institut für Statik und Konstruktion konzentrieren wir uns auf die Materialprüfung von 3D gedruckten Glasbauteilen und untersuchen, welche Prüfmethoden angewendet werden können, um die Qualität und Eignung dieser Bauteile für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen zu bestimmen.

Aufgrund dieser Ergebnisse erarbeiten wir eine Methodik für das Konstruieren mit 3D gedruckten Glasbauteilen.

Ziel eines aktuellen Forschungsprojektes ist es, komplexe Rissfortschritte während des Glasbruchvorgangs, sowie die resultierenden Bruchstückgeometrie- und -größe zu prognostizieren. Dazu wird am ISM+D unter anderem eine Datenbasis aus experimentellen Untersuchungen erstellt in denen Gläser mit unterschiedlich hohen thermischen Vorspanngraden gezielt gebrochen werden. Die beim Anschlag entstehende Wellenausbreitung im Glaskörper wird mit speziellen Sensoren erfasst. Die Analyse des Bruchbildes erfolgt mittels digitaler Bildbearbeitung.

Mögliche Themen für eine Abschlussarbeit (Bachelor oder Master):

- Numerische Charakterisierung von Bruchmorphologien bei thermisch vorgespannten Gläsern

- Stochastische Modellierung von Bruchmorphologien bei thermisch vorgespannten Gläsern

Durch additive Herstellungsmethoden eröffnen sich in vielen Industriezweigen neue Möglichkeiten der Formgebung. Wenngleich später als in anderen Branchen, fasst auch in der Baustoffindustrie diese Technologie immer mehr Fuß. Der Bausektor mit seinem immensen Bedarf an hochgradig individualisierten Bauteilen erscheint als lohnendes Feld für die großflächige Etablierung derartiger Fertigungsweisen. Im klassischen Verfahren für Porenbeton findet zunächst in großen Formen der Aufgasungsprozess statt, anschließend werden die großen Blöcke zu handlichen Steinen konfektioniert und in einem Autoklaven unter Druck und Hitze gehärtet. Die Thesis wird von den Rodgauer Baustoffwerken unterstützt, einem Hersteller, der eines der modernsten Porenbetonwerke Europas besitzt und großes Interesse an der Weiterentwicklung seiner Fertigungsprozesse hat.

Ziel der Thesis ist es zu untersuchen, inwieweit das 3D-Drucken von spezialisierten Schalungsformen für die Herstellung individualisierter Porenbetonelemente tauglich ist. Dies umfasst die theoretische Entwicklung von Sonderbauteilen und zugehörigen Schalungsstrategien, deren experimentelle Herstellung und eine anschließende wissenschaftliche evaluation der Versuche.

Um dem Wunsch nach transparenten Fassaden nachzugehen, sollen durch Glas 3D Druck neuartige Verbindungen für Anwendungen in der Fassade entstehen. Bild 1 zeigt den Bauraum des Glas 3D Druckers der TU Darmstadt, der geschmolzenes Glas auf eine erhitzte Basisplatte aus Glas drucken soll.

Um den Prozess des Glas 3D Druckens zu verstehen, soll das Aufheizen der Basisplatte mittels Heizplatte und Gasbrenner sowie das anschließende Abkühlen untersucht werden. Um das Bruchrisiko während des Druckens zu kennen und reduzieren zu können, sollen Temperaturen und Spannungen während des Drucks untersucht werden. Dafür steht eine Thermografiekamera zur Temperaturmessung der Glasoberfläche zur Verfügung, siehe Bild 2b. Numerische Simulationen sind möglich, um Spannungen während des Aufheizens zu berechnen. Nach dem Abkühlen können Eigenspannungen im Glas verbleiben, die die optische und mechanische Qualität des Bauteils beeinflussen. Die Eigenspannungen können nach dem Druck mittels Spannungsoptik untersucht werden, siehe Bild 2a. In einer Abschlussarbeit können Versuche zum Aufheizen und Abkühlen der Basisplatte am Glas 3D Drucker durchgeführt werden.

Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) ist ein thermisch vorgespanntes Glas mit, im Vergleich zum thermisch entspanntem Glas, erhöhter Biegezugfestigkeit. Zudem entstehen im Falle des Glasbruches viele kleine Bruchstücke mit stumpfen Kanten, die das Verletzungsrisiko verringern. Die Prüfungen zur Sicherstellung der Biegezugfestigkeit und der Bruchstruktur haben sich seit der Erstveröffentlichung (1996) der relevanten europäischen Produktnorm EN 12150 nicht verändert. Vorgeschrieben ist, täglich zerstörende Prüfungen an begleitend produzierten Glaselementen durchzuführen. Es ist bekannt, dass die Bruchstruktur von der Glasdicke und dem Vorspanngrad abhängt: Bei gleicher Glasdicke führt ein hoher Vorspanngrad zu deutlich kleineren Bruchstücken als ein niedriger Vorspanngrad. Unterschiedliche Vorspanngrade erzeugen unterschiedlich hohe Oberflächendruckspannungen und Kantenmembranspannungen die zerstörungsfrei mittels Spannungsoptik ermittelt werden können.

Verbundglas besteht aus mindestens zwei Glasscheiben, die durch eine polymere Zwischenschicht verbunden werden. Im Falle des Glasbruches entsteht ein Resttragverhalten bei dem durch Biegung hervorgerufene Zugspannungen über die polymere Zwischenschicht abgetragen werden. Die numerische Abbildung des Materialverhaltens der Zwischenschicht bei großen Verformungen, wie sie im Falle des Versagens einer oder mehrerer Glasscheiben auftreten, ist zurzeit nicht möglich. Das Materialverhalten ist hier sowohl von der Temperatur und Belastungsdauer als auch von der Höhe der Belastung abhängig, sodass nichtlinear viskoelastische Materialmodelle notwendig werden.

Fassadenverglasungen werden durch verschiedene Belastungen, wie etwa Eigengewicht, Wind, Stoßbeanspruchungen beansprucht. Zusätzlich ist jedoch auch die Belastung durch Temperatur zu beachten. Diese thermische Belastung setzt sich in der Regel aus zwei Komponenten zusammen, und zwar aus der Sonneneinstrahlung auf die Glasoberfläche und die Umgebungstemperatur. Immer wieder kommt es bedingt durch die jeweilige Einbausituation, Verschattung, Orientierung (Himmelsrichtung), etc. zu thermisch induzierten Glasbrüchen, die in der Baupraxis bereits ein bekanntes Problem darstellen. In der Regel sind die Verglasungen (z.B. Isolierglas), bei denen es zum thermischen Bruch kommt, diejenigen, welche mit nicht thermisch vorgespanntem Glas (annealed glass) zusammengesetzt sind. Der thermische Bruch stellt sich überlicherweise von der Glaskante aus ein, da diese den größten Grad der Schädigung (größte Kerben) enthält und zugleich dort die maximalen Beanspruchungen aus der thermischen Belastung resultieren. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterthesis soll eine Isolierglaseinheit thermischmechanisch mit Hilfe einer Berechnugssoftware z.B. Ansys numerisch simuliert und dabei verschiedene Parameter analysiert werden.